(57)【要約】【課題】温度差と冷凍能力とを両立させることができる磁気ヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】磁気ヒートポンプ装置の設計方法において、磁場発生部が空隙を挟んで間隔ＬＧ１でヨークと対向している時の空隙における磁束密度ＢＧ１を算出し、算出された磁束密度ＢＧ１と間隔ＬＧ１との積であるパラメータＰＡ１を算出し、算出されたパラメータＰＡ１と磁束密度ＢＧ１との相乗平均であるパラメータＰＡ２を算出するステップＳ１と、間隔ＬＧ１を変更しながらステップＳ１を繰り返すことにより、パラメータＰＡ２が最大となるときの間隔ＬＧ１である間隔ＬＧ２を取得するステップＳ２と、を有する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１位置に移動可能に設けられ、且つ、磁場を発生する磁場発生部と、
前記磁場発生部が前記第１位置に移動されている時に前記磁場発生部と第１空隙を挟んで第１間隔で対向する継鉄部と、
前記第１空隙に設けられ、且つ、前記磁場発生部が前記第１位置に移動される際に、温熱又は冷熱を発生する熱発生部と、
を備えた磁気ヒートポンプ装置の設計方法において、
（ａ）前記磁場発生部が前記第１位置に移動されている時の前記第１空隙における第１磁束密度を算出し、算出された前記第１磁束密度と前記第１間隔との積である第１パラメータを算出し、算出された前記第１パラメータと前記第１磁束密度との相乗平均である第２パラメータを算出するステップ、
（ｂ）前記第１間隔を変更しながら前記（ａ）ステップを繰り返すことにより、前記第２パラメータが最大となるときの前記第１間隔である第２間隔を取得するステップ、
（ｃ）前記（ｂ）ステップにて取得された前記第２間隔に基づいて、前記第１間隔の設計値を決定するステップ、
を有する、磁気ヒートポンプ装置の設計方法。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気ヒートポンプ装置の設計方法において、
前記（ｃ）ステップでは、前記第１間隔の前記設計値が前記第２間隔の９０〜１１０％になるように、前記第１間隔の前記設計値を決定する、磁気ヒートポンプ装置の設計方法。
【請求項３】
第１位置に移動可能に設けられ、且つ、磁場を発生する磁場発生部と、
前記磁場発生部が前記第１位置に移動されている時に前記磁場発生部と第１空隙を挟んで第１間隔で対向する継鉄部と、
前記第１空隙に設けられ、且つ、前記磁場発生部が前記第１位置に移動される際に、温熱又は冷熱を発生する熱発生部と、
を備えた磁気ヒートポンプ装置の設計方法において、
（ａ）前記磁場発生部が前記第１位置に移動されている時の前記第１空隙における第１磁束密度を算出し、算出された前記第１磁束密度と前記第１間隔との積である第１パラメータを算出し、算出された前記第１パラメータと前記第１磁束密度との相乗平均である第２パラメータを算出するステップ、
（ｂ）前記第１間隔を変更しながら前記（ａ）ステップを繰り返すことにより、前記第２パラメータが前記第２パラメータの最大値の９０％以上になるように、前記第１間隔の許容範囲を設定するステップ、
（ｃ）前記第１間隔の設計値が前記（ｂ）ステップにて設定された前記許容範囲内になるように、前記第１間隔の前記設計値を決定するステップ、
を有する、磁気ヒートポンプ装置の設計方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気ヒートポンプ装置の設計方法において、
前記（ａ）ステップでは、前記磁場発生部が前記第１位置に移動されている時の、前記第１空隙の中央に位置する第２位置における第２磁束密度を、前記第１磁束密度として算出する、磁気ヒートポンプ装置の設計方法。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気ヒートポンプ装置の設計方法において、
前記（ａ）ステップでは、前記磁場発生部が前記第１位置に移動されている時の、前記第１空隙内の複数の第３位置の各々における第３磁束密度を、前記複数の第３位置間で平均した平均値を、前記第１磁束密度として算出する、磁気ヒートポンプ装置の設計方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気ヒートポンプ装置の設計方法において、
前記磁場発生部は、第１軸を中心として回転可能に設けられ、
前記継鉄部は、前記磁場発生部よりも外周側に設けられ、
前記熱発生部は、前記磁場発生部の外周と前記継鉄部の内周との間の前記第１空隙に設けられ、且つ、前記磁場発生部が回転する際に、温熱又は冷熱を発生する、磁気ヒートポンプ装置の設計方法。
【請求項７】
請求項６に記載の磁気ヒートポンプ装置の設計方法において、
前記磁場発生部は、前記磁場発生部の回転方向に沿ってハルバッハ配列された複数の永久磁石を有する、磁気ヒートポンプ装置の設計方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の磁気ヒートポンプ装置の設計方法により設計された磁気ヒートポンプ装置を製造する磁気ヒートポンプ装置の製造方法において、
（ｄ）前記第１間隔が、前記（ｃ）ステップにて決定された前記第１間隔の前記設計値に等しくなるように、前記磁場発生部及び前記継鉄部を設けるステップ、
を有する、磁気ヒートポンプ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気熱量効果に基づく磁気ヒートポンプ装置の設計方法及び製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
断熱状態で、強磁性体に磁場を印加すると、磁気エントロピーが減少して結晶格子のエントロピーが増加するため、強磁性体は発熱し、強磁性体の温度が上昇する。一方、断熱状態で、強磁性体に印加されている磁場を除去すると、磁気エントロピーが増加して結晶格子のエントロピーが減少するため、強磁性体は吸熱し、強磁性体の温度が下降する。このように、断熱状態で、磁場の印加又は磁場の除去に伴って、強磁性体が発熱又は吸熱する効果は、磁気熱量効果と称される。また、顕著な磁気熱量効果を有する強磁性体は、磁気作業物質と称される。そして、磁気作業物質の磁気熱量効果を利用して温熱又は冷熱を発生するヒートポンプ装置は、磁気ヒートポンプ装置と称される。なお、磁気ヒートポンプ装置が、温熱及び冷熱のうち、冷熱のみを取り出し可能にする装置である場合には、当該装置は、磁気冷凍装置と称される。
【０００３】
特開２００２−１０６９９９号公報（特許文献１）には、磁気冷凍装置において、磁場を発生する磁場発生手段と、磁場の増減に応じて温度が変化する磁気作業物質を有する磁気作業体と、磁気作業物質に印加される磁場を増減させる磁場増減手段と、を備える技術が開示されている。上記特許文献１に記載された磁気冷凍装置において、磁場発生手段は、回転可能な円板状又は放射状部材の周端部に複数設けられ、磁気作業体は磁場発生手段に対向する固定側に複数配設され、磁場発生手段は、磁場発生手段の回転に伴って磁気作業物質に印加される磁場を増減させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１０６９９９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】森下明平、「永久磁石ハルバッハ配列界磁の特徴と電気機器への応用」、ケミカルエンジニヤリング、２０１３年、第５８巻、第１０号、ｐ．２６−３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
磁気ヒートポンプ装置の重要な特性又は仕様としては、磁気熱量効果によって生成される温度差と、磁気ヒートポンプ装置を冷凍装置として使用した場合の冷凍能力と、が挙げられる。しかし、当該温度差と当該冷凍能力とを両立させることができる磁気ヒートポンプ装置の設計方法は、明らかになっていなかった。上記特許文献１には、いかなる場合に、当該温度差と当該冷凍能力とを両立させることができるかについて、開示されていない。
【０００７】
本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、磁気熱量効果によって生成される温度差と、磁気ヒートポンプ装置を冷凍装置として使用した場合の冷凍能力と、を両立させることができる磁気ヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【０００９】
本発明の一態様としての磁気ヒートポンプ装置の設計方法は、第１位置に移動可能に設けられ、且つ、磁場を発生する磁場発生部と、磁場発生部が第１位置に移動されている時に磁場発生部と第１空隙を挟んで第１間隔で対向する継鉄部と、第１空隙に設けられ、且つ、磁場発生部が第１位置に移動される際に、温熱又は冷熱を発生する熱発生部と、を備えた磁気ヒートポンプ装置の設計方法である。当該磁気ヒートポンプ装置の設計方法は、磁場発生部が第１位置に移動されている時の第１空隙における第１磁束密度を算出し、算出された第１磁束密度と第１間隔との積である第１パラメータを算出し、算出された第１パラメータと第１磁束密度との相乗平均である第２パラメータを算出する（ａ）ステップと、第１間隔を変更しながら（ａ）ステップを繰り返すことにより、第２パラメータが最大となるときの第１間隔である第２間隔を取得する（ｂ）ステップと、（ｂ）ステップにて取得された第２間隔に基づいて、第１間隔の設計値を決定する（ｃ）ステップと、を有する。
【００１０】
また、他の一態様として、（ｃ）ステップでは、第１間隔の設計値が第２間隔の９０〜１１０％になるように、第１間隔の設計値を決定してもよい。
【００１１】
本発明の一態様としての磁気ヒートポンプ装置の設計方法は、第１位置に移動可能に設けられ、且つ、磁場を発生する磁場発生部と、磁場発生部が第１位置に移動されている時に磁場発生部と第１空隙を挟んで第１間隔で対向する継鉄部と、第１空隙に設けられ、且つ、磁場発生部が第１位置に移動される際に、温熱又は冷熱を発生する熱発生部と、を備えた磁気ヒートポンプ装置の設計方法である。当該磁気ヒートポンプ装置の設計方法は、磁場発生部が第１位置に移動されている時の第１空隙における第１磁束密度を算出し、算出された第１磁束密度と第１間隔との積である第１パラメータを算出し、算出された第１パラメータと第１磁束密度との相乗平均である第２パラメータを算出する（ａ）ステップと、第１間隔を変更しながら（ａ）ステップを繰り返すことにより、第２パラメータが第２パラメータの最大値の９０％以上になるように、第１間隔の許容範囲を設定する（ｂ）ステップと、第１間隔の設計値が（ｂ）ステップにて設定された許容範囲内になるように、第１間隔の設計値を決定する（ｃ）ステップと、を有する。
【００１２】
また、他の一態様として、（ａ）ステップでは、磁場発生部が第１位置に移動されている時の、第１空隙の中央に位置する第２位置における第２磁束密度を、第１磁束密度として算出してもよい。
【００１３】
また、他の一態様として、（ａ）ステップでは、磁場発生部が第１位置に移動されている時の、第１空隙内の複数の第３位置の各々における第３磁束密度を、複数の第３位置間で平均した平均値を、第１磁束密度として算出してもよい。
【００１４】
また、他の一態様として、磁場発生部は、第１軸を中心として回転可能に設けられ、継鉄部は、磁場発生部よりも外周側に設けられ、熱発生部は、磁場発生部の外周と継鉄部の内周との間の第１空隙に設けられ、且つ、磁場発生部が回転する際に、温熱又は冷熱を発生してもよい。
【００１５】
また、他の一態様として、磁場発生部は、磁場発生部の回転方向に沿ってハルバッハ配列された複数の永久磁石を有してもよい。
【００１６】
本発明の一態様としての磁気ヒートポンプ装置の製造方法は、当該磁気ヒートポンプ装置の設計方法により設計された磁気ヒートポンプ装置を製造する磁気ヒートポンプ装置の製造方法である。当該磁気ヒートポンプ装置の製造方法は、第１間隔が、（ｃ）ステップにて決定された第１間隔の設計値に等しくなるように、磁場発生部及び継鉄部を設ける（ｄ）ステップを有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一態様を適用することで、磁気ヒートポンプ装置において、磁気熱量効果によって生成される温度差と、磁気ヒートポンプ装置を冷凍装置として使用した場合の冷凍能力と、を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】基本的な磁気回路を示す図である。
【図２】永久磁石における磁束密度Ｂｄと磁場Ｈｄとを示すグラフである。
【図３】空隙における磁束密度Ｂｇの残留磁束密度Ｂｒとの比を示すグラフである。
【図４】空隙における磁束密度Ｂｇの、パーミアンス係数ｐを保磁力Ｈｃへ掛けた積との比を示すグラフである。
【図５】図３と図４との実線部分、その相加平均と相乗平均を示すグラフである。
【図６】実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法が適用される磁気ヒートポンプ装置を模式的に示す図である。
【図７】磁気ヒートポンプ装置の設計方法の一部を示すフロー図である。
【図８】磁気ヒートポンプ装置の設計方法の変形例の一部を示すフロー図である。
【図９】実施例１において磁気ヒートポンプ装置が有する磁気回路を示す図である。
【図１０】実施例１における数値解析用８分の１モデルの例を示す図である。
【図１１】図１０における磁束密度の評価面を示す図である。
【図１２】永久磁石の減磁曲線を示すグラフである。
【図１３】内・外ヨークの磁気特性を示すグラフである。
【図１４】実施例１の磁束密度の評価面における分布の例を示す図である。
【図１５】実施例１において数値解析から算出したＢｇとＢｇｌｇとのｌｇ依存性を示すグラフである。
【図１６】実施例１において数値解析から算出したＢｇとＢｇｌｇとの相乗平均（Ｂｇｌｇ１／２）のｌｇ依存性を示すグラフである。
【図１７】実施例２において磁気ヒートポンプ装置が有する磁気回路を示す図である。
【図１８】実施例２における数値解析用８分の１モデルの例を示す図である。
【図１９】実施例２の磁束密度の評価面における分布の例を示す図である。
【図２０】実施例２において数値解析から算出したＢｇとＢｇｌｇとのｌｇ依存性を示すグラフである。
【図２１】実施例２において数値解析から算出したＢｇとＢｇｌｇとの相乗平均（Ｂｇｌｇ１／２）のｌｇ依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実施の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。
【００２１】
また本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
【００２２】
更に、実施の形態で用いる図面においては、構造物を区別するために付したハッチング（網掛け）を図面に応じて省略する場合もある。
【００２３】
なお、以下の実施の形態においてＡ〜Ｂとして範囲を示す場合には、特に明示した場合を除き、Ａ以上Ｂ以下を示すものとする。
【００２４】
（実施の形態）
＜磁気ヒートポンプ装置の設計方法における技術思想＞
初めに、本発明の一実施形態である実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法における技術思想について説明する。
【００２５】
本実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法における技術思想は、磁場発生部と、継鉄部と、磁場発生部と継鉄部との間の空隙に設けられた熱発生部と、を備えた磁気ヒートポンプ装置において、磁場発生部と継鉄部との間隔を、空隙における磁束密度と、当該磁束密度と当該間隔との積であるパラメータと、の相乗平均が最大となるときの間隔とすることにより、磁気熱量効果によって生成される温度差と、冷凍能力とを両立させることにある。即ち、磁気作業物質が組み込まれ得る磁気回路の空隙の長さを変更させながら磁束密度を算出して、磁気熱量効果によって生成される温度差と、冷凍能力とを両立させる磁気ヒートポンプ装置を設計することにある。
【００２６】
このような技術思想の有効性を検証するために、本発明者らは、まず、基本的な磁気回路を備え、磁束密度を代数計算によって算出することが容易な簡易なモデルについて、検討を行った。この基本的な磁気回路として、図１に示す対向型の磁気回路を検討した。空隙には、磁気作業物質を配置し得る。
【００２７】
図１に示す磁気回路は、磁場発生部としての永久磁石１ａと、磁場発生部としての永久磁石１ｂと、継鉄部としてのヨーク２と、を備えている。永久磁石１ｂは、永久磁石１ａと空隙ＧＰを挟んで間隔ＬＧで対向する。永久磁石１ｂは、永久磁石１ａの空隙ＧＰ側の磁極が有する極性と逆極性を有する磁極を空隙ＧＰ側に有し、永久磁石１ａの空隙ＧＰ側と反対側の磁極、及び、永久磁石１ｂの空隙ＧＰ側と反対側の磁極は、ヨーク２により接続される。これにより、永久磁石１ａ、ヨーク２、永久磁石１ｂ及び空隙ＧＰを経由する磁気回路が形成される。また、永久磁石１ａ及び１ｂが、例えば永久磁石１ａ及び１ｂの中心を結ぶ線分の垂直二等分線の方向に移動可能に設けられるものとする。このような場合、空隙ＧＰに、ダクト３が設けられ、ダクト３には、磁気作業物質を含む磁気作業部３ａが格納されることにより、永久磁石１ａ及び１ｂが移動される際に、ダクト３は、温熱又は冷熱を発生する。
【００２８】
図１に示す各パラメータが示す長さ又は磁束密度等は、以下の通りであるとする。
ｌｇ：空隙の長さ
Ｌ：永久磁石の長さ
Ｂｇ：空隙における磁束密度
Ｂｄ：永久磁石における磁束密度
Ｈｇ：空隙における磁場
Ｈｄ：永久磁石における磁場
【００２９】
ここで、「空隙の長さ」とは、磁気回路に沿った空隙ＧＰの長さであり、「永久磁石の長さ」とは、永久磁石１ａ及び１ｂの各々の磁気回路に沿った長さの合計である。「空隙における磁束密度」とは、空隙ＧＰにおける磁束密度であり、「永久磁石における磁束密度」とは、永久磁石１ａ及び１ｂの各々における磁束密度である。「空隙における磁場」とは、空隙ＧＰにおける磁場であり、「永久磁石における磁場」とは、永久磁石１ａ及び１ｂの各々における磁場である。また、間隔ＬＧは、空隙の長さｌｇに相当するものであり、図１においては、間隔ＬＧに符号ＬＧを付して表示し、且つ、間隔ＬＧに対して空隙の長さｌｇを併記して表示している。
【００３０】
このような場合、磁気回路の形状によって定まるパーミアンス係数ｐは、下記式（数１）のように定義される。
Ｂｇ＝μ０Ｈｇ  において
Ｂｇ＝Ｂｄ  と
Ｈｇ＝−（Ｌ／ｆｌｇ）Ｈｄ  を代入して
Ｂｄ＝−μ０（Ｌ／ｆｌｇ）Ｈｄ  となり
＝ｐＨｄ  とおくと
ｐ＝−μ０（Ｌ／ｆｌｇ）＜０・・・（数１）
（μ０：真空の透磁率、ｆ＝１．２〜１．５：リラクタンス係数）
【００３１】
永久磁石における磁束密度Ｂｄと磁場Ｈｄは、前述のパーミアンス係数ｐを比例定数とするパーミアンス曲線に載るだけでなく、残留磁束密度Ｂｒと保磁力Ｈｃとを切片とする永久磁石の減磁曲線にも載る必要がある。即ち、永久磁石における磁束密度Ｂｄと磁場Ｈｄは、図２に示すように、これらの曲線の交点となる。
【００３２】
代数計算により、永久磁石における磁束密度Ｂｄと磁場Ｈｄが、次のように算出される。
Ｂｄ＝ＢｒｐＨｃ／（Ｂｒ＋ｐＨｃ），ｐＨｃ＞０
Ｈｄ＝ＢｒＨｃ／（Ｂｒ＋ｐＨｃ），ｐＨｃ＞０
【００３３】
そして、空隙における磁束密度Ｂｇは、Ｂｇ＝Ｂｄによって、下記式（数２）のように算出される。
Ｂｇ＝ＢｒｐＨｃ／（Ｂｒ＋ｐＨｃ），ｐＨｃ＞０・・・（数２）
これを無次元化として残留磁束密度Ｂｒで割ったものは、下記式（数３）のようになる。
Ｂｇ／Ｂｒ＝１／（１＋Ｂｒ／ｐＨｃ），１／ｐＨｃ＞０・・・（数３）
これを図３に示す。永久磁石の長さＬを一定とすれば、上記式（数１）によって、横軸は空隙の長さｌｇに比例する。
【００３４】
磁気熱量効果によって生成される温度差は、Ｂｇへ結び付いた示強変数であり、上記式（数３）が、この温度差の指標となる。
【００３５】
また、上記式（数２）をパーミアンス係数ｐで割って更に無次元化として保磁力Ｈｃで割ったものは、下記式（数４）のようになる。
Ｂｇ／ｐＨｃ＝（Ｂｒ／ｐＨｃ）／（１＋Ｂｒ／ｐＨｃ），１／ｐＨｃ＞０・・・（数４）
これを図４に示す。Ｌを一定とすれば、上記式（数１）によって、横軸はｌｇに比例する。
【００３６】
磁気熱量効果によって生成される冷凍能力は、Ｂｇとｌｇとの積へ結び付いた示量変数であり、Ｌを一定とすれば、上記式（数１）によって、ｐがｌｇに反比例することから、上記式（数４）が、この冷凍能力の指標となる。
【００３７】
図３と図４の実線部分に加え、その相加平均と相乗平均を図５に示す。生成される温度差と冷凍能力は、相反の関係にある。これらを両立させるには、上記式（数３）と上記式（数４）とについて、Ｂｇ／Ｂｒ＝Ｂｇ／ｐＨｃとおくことから導かれる下記式（数５）のようにせざるを得ない。
ｐＨｃ＝Ｂｒ・・・（数５）
このとき
Ｂｇ／Ｂｒ＝Ｂｇ／ｐＨｃ＝１／２
となる。また、上記式（数３）と上記式（数４）とにより、その相加平均が１／２のように一定であるのに対し、その相乗平均は上記式（数５）のときに１／２という最大になる。
【００３８】
前述した図１乃至図５を用いて説明した簡易なモデルは、基本的な磁気回路を備えた簡易なモデルであるが、この簡易なモデルを用いて、本発明者らは、次のような設計方法を見出した。
【００３９】
前述したように、磁気熱量効果によって生成される温度差は、空隙における磁束密度Ｂｇへ結びついた示強変数であり、上記式（数３）の両辺に示される変数が、温度差の指標となる。一方、磁気ヒートポンプ装置を冷凍装置として使用した場合の冷凍能力は、Ｂｇとｌｇとの積Ｂｇｌｇへ結び付いた示量変数であり、上記式（数４）の両辺に示される変数が、冷凍能力の指標となる。また、図５に示すように、温度差の指標はｌｇの増加に伴って単調に減少し、冷凍能力の指標はｌｇの増加に伴って単調に増加するため、ｌｇの増加に伴って、温度差と冷凍能力とは、一方の増加に伴って他方が減少する関係、即ちトレードオフの関係にある。従って、温度差と冷凍能力との指標の相乗平均が最大となるようなｌｇの最適値を求め、当該最適値に基づいてｌｇの設計値を決定することにより、温度差と冷凍能力とを両立できる。
【００４０】
なお、前述したように、図１に示す磁気回路では、磁場発生部としての永久磁石１ａと、磁場発生部としての永久磁石１ｂとが空隙ＧＰを挟んで間隔ＬＧで対向し、永久磁石１ｂは、永久磁石１ａの空隙ＧＰ側の磁極が有する極性と逆極性を有する磁極を空隙ＧＰ側に有する。しかし、永久磁石１ｂに代えて、継鉄部としてのヨーク２を永久磁石１ｂが配置されている部分まで延長し、磁場発生部としての永久磁石１ａと、継鉄部としてのヨーク２とが、空隙ＧＰを挟んで間隔ＬＧで対向してもよい。
【００４１】
＜磁気ヒートポンプ装置の設計方法＞
次に、本実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法について説明する。本実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法は、温度差と冷凍能力との指標の相乗平均が最大となるようなｌｇの最適値を求め、当該最適値に基づいてｌｇの設計値を決定する設計方法であり、前述した簡易なモデルの場合のみならず、磁束密度を代数計算によって算出することが困難な複雑なモデルの場合についても、適用可能なものである。
【００４２】
図６は、実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法が適用される磁気ヒートポンプ装置を模式的に示す図である。図７は、磁気ヒートポンプ装置の設計方法の一部を示すフロー図である。なお、図７では、磁気ヒートポンプ装置の製造方法の一部も合わせて示している。
【００４３】
まず、本実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法が適用される磁気ヒートポンプ装置について説明する。
【００４４】
図６に示すように、本実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法が適用される磁気ヒートポンプ装置１０は、磁場発生部としての永久磁石部１１と、継鉄部としてのヨーク１２と、熱発生部としてのダクト１３と、を備えている。永久磁石部１１は、位置ＰＳ１に移動可能に設けられ、且つ、磁場を発生する。ヨーク１２は、永久磁石部１１が位置ＰＳ１に移動されている時に永久磁石部１１と空隙ＧＰ１を挟んで間隔ＬＧ１で対向する。ダクト１３は、空隙ＧＰ１に、即ち位置ＰＳ１に移動されている時の永久磁石部１１とヨーク１２との間に、設けられている。ダクト１３には、磁気作業物質を含む磁気作業部１３ａが格納されており、永久磁石部１１が位置ＰＳ１に移動される際に、ダクト１３は、温熱を発生し、永久磁石部１１が位置ＰＳ１から移動される際に、ダクト１３は、冷熱を発生する。なお、磁気ヒートポンプ装置１０は、ヨーク１２に代えて、永久磁石部１１の空隙ＧＰ１側の磁極が有する極性と逆極性を有する磁極を空隙ＧＰ１側に有する、磁場発生部としての永久磁石部を備えてもよい。
【００４５】
ここで、間隔ＬＧ１は、前述した図１を用いて説明した空隙の長さｌｇに相当するものであり、図６においては、間隔ＬＧ１に符号ＬＧ１を付して表示し、且つ、間隔ＬＧ１に対して空隙の長さｌｇを併記して表示している。
【００４６】
次に、本実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法について説明する。
【００４７】
まず、磁場発生部としての永久磁石部１１が位置ＰＳ１に移動されている時の空隙ＧＰ１における磁束密度ＢＧ１を算出し、算出された磁束密度ＢＧ１と間隔ＬＧ１との積であるパラメータＰＡ１を算出し、算出されたパラメータＰＡ１と磁束密度ＢＧ１との相乗平均であるパラメータＰＡ２を算出する（図７のステップＳ１）。
【００４８】
ここで、磁束密度ＢＧ１は、前述した図１を用いて説明した空隙における磁束密度Ｂｇに相当するものであり、図６においては、磁束密度ＢＧ１に符号ＢＧ１を付して表示し、磁束密度ＢＧ１に対して空隙における磁束密度Ｂｇを併記して表示している。また、パラメータＰＡ１は、空隙における磁束密度Ｂｇと空隙の長さｌｇとの積であるＢｇｌｇに相当し、パラメータＰＡ２は、空隙における磁束密度Ｂｇと空隙の長さｌｇの平方根との積であるＢｇｌｇ１／２に相当する。
【００４９】
なお、ステップＳ１では、パラメータＰＡ１の算出を省略した上で、磁束密度ＢＧ１と間隔ＬＧ１の平方根との積を、パラメータＰＡ２として直接算出してもよい。
【００５０】
或いは、ステップＳ１では、パラメータＰＡ２として、パラメータＰＡ１と磁束密度ＢＧ１との相乗平均に代え、パラメータＰＡ１と磁束密度ＢＧ１との積を用いてもよい。このような場合、パラメータＰＡ２は、空隙における磁束密度Ｂｇの二乗と空隙の長さｌｇとの積であるＢｇ２ｌｇに相当する。また、パラメータＰＡ１の算出を省略した上で、磁束密度ＢＧ１の二乗と間隔ＬＧ１との積を、パラメータＰＡ２として直接算出してもよい。
【００５１】
また、本実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法では、間隔ＬＧ１を変更しながらステップＳ１を繰り返すことにより、パラメータＰＡ２が最大となるときの間隔ＬＧ１である間隔ＬＧ２を、間隔ＬＧ１の最適値として取得する（図７のステップＳ２）。なお、図７では、理解を簡単にするために、間隔ＬＧ１を変更しながらステップＳ１を繰り返すステップを、ステップＳ２１として表示し、パラメータＰＡ２が最大となるときの間隔ＬＧ１である間隔ＬＧ２を、間隔ＬＧ１の最適値として取得するステップを、ステップＳ２２として表示しているが、ステップＳ２１とステップＳ２２とは一体不可分のステップであってもよい。
【００５２】
前述した図１乃至図５を用いて説明した簡易なモデルの場合には、図３乃至図５に示したように、１／ｐＨｃが、Ｂｇ／ＢｒとＢｇ／ｐＨｃとの相乗平均を１／２の最大値とするときの１／Ｂｒになるような空隙の長さｌｇを、間隔ＬＧ２として取得することになる。
【００５３】
次に、ステップＳ２にて取得された間隔ＬＧ２に基づいて、間隔ＬＧ１の設計値を決定する（図７のステップＳ３）。
【００５４】
前述したように、磁気熱量効果によって生成される温度差の指標は間隔ＬＧ１の増加に伴って単調に減少し、磁気ヒートポンプ装置を冷凍装置として使用した場合の冷凍能力の指標は間隔ＬＧ１の増加に伴って単調に増加するため、間隔ＬＧ１の増加に伴って、温度差と冷凍能力とは、一方の増加に伴って他方が減少する関係、即ちトレードオフの関係にある。
【００５５】
一方、ステップＳ１乃至ステップＳ３を有する本実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法によれば、温度差と冷凍能力との指標の相乗平均が最大となるときの間隔ＬＧ１である間隔ＬＧ２を、間隔ＬＧ１の最適値として取得し、取得された間隔ＬＧ２に基づいて、間隔ＬＧ１の設計値を決定することにより、温度差と冷凍能力とを両立させることができる。
【００５６】
これにより、温度差と冷凍能力とを両立させた実用性に優れたヒートポンプが得られるので、フロンガスを用いる蒸気圧縮方式のヒートポンプを置き換えることができ、地球温暖化の原因となるフロンガスの使用量を削減することができる。
【００５７】
上記非特許文献１には、デュアルハルバッハ配列界磁を使ったモータ・発電機で所定の磁石の量で最大の出力を得るためには、コイルに鎖交する磁束数を最大にすればよいこと、及び、コイルに鎖交する鎖交磁束数は、コイルと界磁間のギャップ長の関数として与えられることが、開示されている。しかし、上記非特許文献１は、磁束密度とコイルに鎖交する鎖交磁束数の両立に言及せず、また、モータの出力の向上に関するものであるため、上記非特許文献１には、いかなる場合に、磁気熱量効果によって生成される温度差と、磁気ヒートポンプ装置を冷凍装置として使用した場合の冷凍能力と、を両立させることができるかについて、開示されていない。
【００５８】
好適には、ステップＳ３では、間隔ＬＧ１の設計値が間隔ＬＧ２の９０〜１１０％になるように、間隔ＬＧ１の設計値を決定する。具体的には、ステップＳ３では、間隔ＬＧ１の設計値が間隔ＬＧ２の９０〜１１０％になるような間隔ＬＧ１の範囲の下限値及び上限値の各々をそれぞれ間隔ＬＧ３及び間隔ＬＧ４とする。そしてステップＳ３では、間隔ＬＧ１の設計値が間隔ＬＧ３以上間隔ＬＧ４以下になるように、間隔ＬＧ１の設計値を決定する。
【００５９】
このような場合、温度差と冷凍能力との指標の相乗平均が当該相乗平均の最大値に略等しくなるような間隔ＬＧ１の設計値の許容範囲を、実用的に許容される範囲として、幅を持たせた状態で設定することができる。そのため、温度差と冷凍能力とを両立させつつ、間隔ＬＧ１の設計値を、磁気ヒートポンプ装置の各部分の形状寸法精度及び配置位置精度に応じて決定する自由度が高まる。
【００６０】
より好適には、ステップＳ３では、間隔ＬＧ１の設計値が間隔ＬＧ２の９５〜１０５％になるように、間隔ＬＧ１の設計値を決定する。具体的には、ステップＳ３では、間隔ＬＧ１の設計値が間隔ＬＧ２の９５〜１０５％になるような間隔ＬＧ１の範囲の下限値及び上限値の各々をそれぞれ間隔ＬＧ３及び間隔ＬＧ４とする。そしてステップＳ３では、間隔ＬＧ１の設計値が間隔ＬＧ３以上間隔ＬＧ４以下になるように、間隔ＬＧ１の設計値を決定する。
【００６１】
このような場合、間隔ＬＧ１の設計値が間隔ＬＧ２の９０〜１１０％になるように、間隔ＬＧ１の設計値を決定する場合に比べ、間隔ＬＧ１の設計値を決定する自由度は低くなるものの、温度差と冷凍能力との指標の相乗平均が当該相乗平均の最大値に近づくので、温度差と冷凍能力とをより両立させやすくなる。
【００６２】
更に好適には、ステップＳ３では、間隔ＬＧ１の設計値が間隔ＬＧ２に等しくなるように、間隔ＬＧ１の設計値を決定する。このような場合、間隔ＬＧ１の設計値が間隔ＬＧ２の９５〜１０５％になるように、間隔ＬＧ１の設計値を決定する場合に比べ、間隔ＬＧ１の設計値を決定する自由度は更に低くなるものの、温度差と冷凍能力との指標の相乗平均が最大になるので、温度差と冷凍能力とを更に両立させやすくなる。
【００６３】
また、本発明者らが温度差の指標となるＢｇと、冷凍能力の指標となるＢｇｌｇとの相乗平均が最大になるときに温度差と冷凍能力が両立することを見出した点については、更に以下のような説明を行うことができる。
【００６４】
即ち、上記式（数３）と上記式（数４）のように無次元化したものが、図５に示すように規格化も果たされていたので、各々温度差と冷凍能力の指標として１／２であれば、温度差と冷凍能力とが両立していると捉えることができることを見出したものである。このための条件として、上記式（数５）を得た。
【００６５】
ところで、図５に示すように、上記式（数３）と上記式（数４）のように無次元化したものの相加平均は、常に１／２であって、上記式（数５）を満たすか否かには依らないのに対し、上記式（数３）と上記式（数４）のように無次元化したものの相乗平均は、上記式（数５）を満たすときに最大となる。なお、無次元化したものでなくても、相乗平均は、上記式（数５）を満たすとき最大となり得る。
【００６６】
そこで、本発明者らは、無次元化したものでなくても相乗平均が最大となれば、温度差と冷凍能力が両立していると捉えられることを見出し、図１乃至図５を用いて説明した簡易なモデルにおいて設計方法として得られた技術思想を、後述する実施例１及び実施例２において説明するように、磁束密度を代数計算によって算出することが困難な複雑なモデルにも適用できることを見出したものである。
【００６７】
なお、温度差と冷凍能力との両立については、温度差及び冷凍能力について互いに均等に重きを置くものとし、同乗同士、即ち最も簡単なものとして１乗同士の相乗平均で判断することとした。
【００６８】
好適には、ステップＳ１では、永久磁石部１１が位置ＰＳ１に移動されている時の、空隙ＧＰ１の中央に位置する位置ＰＳ２（図６参照）における磁束密度ＢＧ２（図６参照）を、磁束密度ＢＧ１として算出する。
【００６９】
このような場合、磁束密度ＢＧ１を短時間で算出することができる。そのため、磁気ヒートポンプ装置の各部分が単純な形状又は配置を有する場合等、空隙ＧＰ１における磁束密度ＢＧ１の位置依存性が小さい場合には、磁束密度ＢＧ１を短時間で算出することができる。
【００７０】
或いは、好適には、ステップＳ１では、永久磁石部１１が位置ＰＳ１に移動されている時の、空隙ＧＰ１内の複数の位置ＰＳ３（図６では図示は省略）の各々における磁束密度ＢＧ３（図６では図示は省略）を、複数の位置ＰＳ３間で平均した平均値を、磁束密度ＢＧ１として算出する。
【００７１】
このような場合、磁束密度ＢＧ１を精度良く算出することができる。そのため、磁気ヒートポンプ装置の各部分が複雑な形状又は配置を有する場合等、空隙ＧＰ１における磁束密度ＢＧ１の位置依存性が大きい場合でも、磁束密度ＢＧ１を精度良く算出することができる。
【００７２】
＜磁気ヒートポンプ装置の設計方法の変形例＞
図８は、磁気ヒートポンプ装置の設計方法の変形例の一部を示すフロー図である。なお、図８では、磁気ヒートポンプ装置の製造方法の一部も合わせて示している。
【００７３】
本変形例は、図７のステップＳ２及びステップＳ３に代えて図８のステップＳ１２及びステップＳ１３を行う点で、実施の形態と異なる。一方、磁気ヒートポンプ装置の構成及びステップＳ１など、ステップＳ１２及びステップＳ１３以外の部分については、本変形例でも実施の形態と同様にすることができる。
【００７４】
本変形例では、ステップＳ１２では、間隔ＬＧ１を変更しながらステップＳ１を繰り返すことにより、パラメータＰＡ２が最大となるときの間隔ＬＧ１である間隔ＬＧ２を含み、パラメータＰＡ２がパラメータＰＡ２の最大値の９０％以上になるように、間隔ＬＧ１の許容範囲を設定する。次に、ステップＳ１３では、間隔ＬＧ１の設計値が設定された許容範囲内になるように、間隔ＬＧ１の設計値を決定する。なお、図８では、理解を簡単にするために、間隔ＬＧ１を変更しながらステップＳ１を繰り返すステップを、ステップＳ２１として表示し、パラメータＰＡ２がパラメータＰＡ２の最大値の９０％以上になるように、間隔ＬＧ１の許容範囲を設定するステップを、ステップＳ２３として表示しているが、ステップＳ２１とステップＳ２３とは一体不可分のステップであってもよい。
【００７５】
具体的には、ステップＳ１２では、パラメータＰＡ２が最大となるときの間隔ＬＧ１である間隔ＬＧ２を含み、パラメータＰＡ２がパラメータＰＡ２の最大値の９０％以上になるような間隔ＬＧ１の範囲の下限値及び上限値の各々をそれぞれ間隔ＬＧ３及び間隔ＬＧ４として算出する。そしてステップＳ１３では、間隔ＬＧ１の設計値が間隔ＬＧ３以上間隔ＬＧ４以下になるように、間隔ＬＧ１の設計値を決定する。
【００７６】
本変形例でも、実施の形態と同様に、温度差と冷凍能力との指標の相乗平均が最大となるときの間隔ＬＧ１である間隔ＬＧ２に基づいて、間隔ＬＧ１の設計値を決定することになり、温度差と冷凍能力とを両立できる。
【００７７】
一方、本変形例では、実施の形態において間隔ＬＧ１の設計値を間隔ＬＧ２に等しくなるように決定する場合に比べ、温度差と冷凍能力との指標の相乗平均が当該相乗平均の最大値に略等しくなるような間隔ＬＧ１の設計値の許容範囲を、実用的に許容される範囲として、幅を持たせた状態で設定することができる。そのため、温度差と冷凍能力とを両立させつつ、間隔ＬＧ１の設計値を、磁気ヒートポンプ装置の各部分の形状寸法精度及び配置位置精度に応じて決定する自由度が高まる。
【００７８】
好適には、ステップＳ１２では、間隔ＬＧ１を変更しながらステップＳ１を繰り返すことにより、パラメータＰＡ２が最大となるときの間隔ＬＧ１である間隔ＬＧ２を含み、パラメータＰＡ２がパラメータＰＡ２の最大値の９５％以上になるように、間隔ＬＧ１の許容範囲を設定する。このような場合、パラメータＰＡ２がパラメータＰＡ２の最大値の９０％以上になるように、間隔ＬＧ１の許容範囲を設定する場合に比べ、間隔ＬＧ１の設計値を決定する自由度は低くなるものの、温度差と冷凍能力との指標の相乗平均が当該相乗平均の最大値に近づくので、温度差と冷凍能力とをより両立させやすくなる。
【００７９】
なお、本変形例でも、実施の形態と同様に、ステップＳ１では、永久磁石部１１が位置ＰＳ１に移動されている時の、空隙ＧＰ１の中央に位置する位置ＰＳ２における磁束密度ＢＧ２を、磁束密度ＢＧ１として算出してもよい。或いは、本変形例でも、実施の形態と同様に、ステップＳ１では、永久磁石部１１が位置ＰＳ１に移動されている時の、空隙ＧＰ１内の複数の位置ＰＳ３の各々における磁束密度ＢＧ３を、複数の位置ＰＳ３間で平均した平均値を、磁束密度ＢＧ１として算出してもよい。
【００８０】
＜実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の製造方法＞
次に、図７を参照し、実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法により設計された磁気ヒートポンプ装置を製造する磁気ヒートポンプ装置の製造方法について説明する。
【００８１】
実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の製造方法では、ステップＳ１乃至ステップＳ３を行って間隔ＬＧ１の設計値を決定した後、間隔ＬＧ１が、ステップＳ３にて決定された間隔ＬＧ１の設計値に等しくなるように、磁場発生部としての永久磁石部１１及び継鉄部としてのヨーク１２を設ける（ステップＳ４）。
【００８２】
このような場合、温度差と冷凍能力との指標の相乗平均が最大となるときの間隔ＬＧ１である間隔ＬＧ２を、間隔ＬＧ１の最適値として取得し、取得された間隔ＬＧ２に基づいて、間隔ＬＧ１の設計値を決定し、間隔ＬＧ１が間隔ＬＧ１の設計値に等しくなるように、永久磁石部１１及びヨーク１２を設けることにより、温度差と冷凍能力とを両立できる磁気ヒートポンプ装置を製造することができる。
【００８３】
なお、図８に示すように、実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の製造方法の変形例として、図７のステップＳ２に代えて図８のステップＳ１２を行い、図７のステップＳ３に代えて図８のステップＳ１３を行った後、ステップＳ４を行ってもよい。
【００８４】
＜実施の形態の磁気ヒートポンプ装置＞
次に、図６を参照し、実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の製造方法により製造された磁気ヒートポンプ装置について説明する。
【００８５】
図６に示したように、実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の製造方法により製造された磁気ヒートポンプ装置１０は、磁場発生部としての永久磁石部１１と、継鉄部としてのヨーク１２と、熱発生部としてのダクト１３と、を備えている。永久磁石部１１は、位置ＰＳ１に移動可能に設けられ、且つ、磁場を発生する。ヨーク１２は、永久磁石部１１が位置ＰＳ１に移動されている時に永久磁石部１１と空隙ＧＰ１を挟んで間隔ＬＧ１で対向する。ダクト１３は、空隙ＧＰ１に設けられ、且つ、永久磁石部１１が位置ＰＳ１に移動される際に、温熱を発生し、永久磁石部１１が位置ＰＳ１から移動される際に、冷熱を発生する。
【００８６】
このような磁気ヒートポンプ装置において、以下のような３つのパラメータＰＡ２、ＰＡ４及びＰＡ６を算出するものとする。
【００８７】
まず、永久磁石部１１が位置ＰＳ１に移動されている時の空隙ＧＰ１における磁束密度ＢＧ１を算出し、算出された磁束密度ＢＧ１と間隔ＬＧ１との積であるパラメータＰＡ１を算出し、算出されたパラメータＰＡ１と磁束密度ＢＧ１との相乗平均をパラメータＰＡ２として算出する。なお、間隔ＬＧ１は、測定して取得することができる。また、磁束密度ＢＧ１は、測定して取得することもでき、永久磁石部１１の減磁曲線及びヨーク１２の磁気特性の測定データ等を用いて、算出することもできる。
【００８８】
また、永久磁石部１１が位置ＰＳ１に移動されている時に永久磁石部１１と空隙ＧＰ２（図６では図示は省略）を挟んで間隔ＬＧ１の９０％である間隔ＬＧ３（図６では図示は省略）でヨーク１２が対向すると仮定したときの、空隙ＧＰ２における磁束密度ＢＧ４（図６では図示は省略）を算出し、算出された磁束密度ＢＧ４と間隔ＬＧ３との積であるパラメータＰＡ３を算出し、算出されたパラメータＰＡ３と磁束密度ＢＧ４との相乗平均をパラメータＰＡ４として算出する。
【００８９】
また、永久磁石部１１が位置ＰＳ１に移動されている時に永久磁石部１１と空隙ＧＰ３（図６では図示は省略）を挟んで間隔ＬＧ１の１１０％である間隔ＬＧ４（図６では図示は省略）でヨーク１２が対向すると仮定したときの、空隙ＧＰ３における磁束密度ＢＧ５（図６では図示は省略）を算出し、算出された磁束密度ＢＧ５と間隔ＬＧ４との積であるパラメータＰＡ５を算出し、算出されたパラメータＰＡ５と磁束密度ＢＧ５との相乗平均をパラメータＰＡ６として算出する。
【００９０】
このような場合であって、且つ、本実施の形態の磁気ヒートポンプ装置が、実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の製造方法により製造されたものであるときは、パラメータＰＡ２は、パラメータＰＡ４及びパラメータＰＡ６のいずれよりも大きい。これにより、磁気ヒートポンプ装置において、磁気熱量効果によって生成される温度差と、磁気ヒートポンプ装置を冷凍装置として使用した場合の冷凍能力とを両立させることができる。
【００９１】
なお、間隔ＬＧ３が間隔ＬＧ１の９５％であり、間隔ＬＧ４が間隔ＬＧ１の１０５％であってもよい。このような場合、間隔ＬＧ３が間隔ＬＧ１の９０％であり、間隔ＬＧ４が間隔ＬＧ１の１１０％である場合に比べ、間隔ＬＧ１の設計値を決定する自由度は低くなるものの、温度差と冷凍能力との指標の相乗平均が当該相乗平均の最大値に近づくので、温度差と冷凍能力とをより両立させやすくなる。
【実施例】
【００９２】
以下、実施例に基づいて本実施の形態を更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。
【００９３】
（実施例１）
まず、実施例１の磁気ヒートポンプ装置の設計方法により設計される磁気ヒートポンプ装置が有する磁気回路として、図９に示す棒状型の磁気回路を検討した。図９は、実施例１において磁気ヒートポンプ装置が有する磁気回路を示す図である。図９に示す矢印の向きは、永久磁石の磁化の向きである。空隙に磁気作業物質を配置し得る。
【００９４】
図９に示すように、実施例１の磁気ヒートポンプ装置の設計方法により設計される磁気ヒートポンプ装置１０ａは、磁場発生部としての永久磁石部１１ａと、継鉄部としてのヨーク１２と、熱発生部としてのダクト１３と、を備えている。永久磁石部１１ａは、位置ＰＳ１に移動可能に設けられ、且つ、磁場を発生する。ヨーク１２は、永久磁石部１１ａが位置ＰＳ１に移動されている時に永久磁石部１１ａと空隙ＧＰ１を挟んで間隔ＬＧ１で対向する。ダクト１３は、空隙ＧＰ１に設けられている。ダクト１３には、磁気作業物質を含む磁気作業部１３ａが格納されており、永久磁石部１１ａが位置ＰＳ１に移動される際に、ダクト１３は、温熱を発生し、永久磁石部１１ａが位置ＰＳ１から移動される際に、ダクト１３は、冷熱を発生する。
【００９５】
なお、図９では、磁気ヒートポンプ装置１０ａがダクト１３を４個有する場合を例示するが、磁気ヒートポンプ装置１０ａが有するダクト１３の個数は４個に限定されない。
【００９６】
ここで、間隔ＬＧ１は、前述した図１を用いて説明した空隙の長さｌｇに相当するものであり、図９においては、間隔ＬＧ１に符号ＬＧ１を付して表示し、且つ、間隔ＬＧ１に対して空隙の長さｌｇを併記して表示している。
【００９７】
また、図９に示すように、実施例１における磁気ヒートポンプ装置１０ａでは、永久磁石部１１ａは、回転軸ＡＸ１を中心として回転可能に設けられ、ヨーク１２は、永久磁石部１１ａよりも外周側に設けられている。また、ダクト１３は、永久磁石部１１ａの外周とヨーク１２の内周との間の空隙ＧＰ１に設けられ、且つ、永久磁石部１１ａが回転する際に、温熱又は冷熱を発生する。
【００９８】
永久磁石部１１ａは、永久磁石部１１ａの回転方向に沿って順次配置された２つの永久磁石ＰＭ、即ち永久磁石ＰＭ１及び永久磁石ＰＭ２を有する。永久磁石ＰＭ１及び永久磁石ＰＭ２は、永久磁石ＰＭ１の回転軸ＡＸ１を中心とした回転角を例えば０°としたときに、永久磁石ＰＭ２の回転軸ＡＸ１を中心とした回転角が例えば１８０°になるように、配置されている。
【００９９】
なお、図９では、永久磁石ＰＭ１及び永久磁石ＰＭ２の各々の磁化の向きを矢印により示している。
【０１００】
永久磁石ＰＭ１は、Ｎ極と、Ｓ極と、を有する。永久磁石ＰＭ１のＮ極は、回転軸ＡＸ１を中心として永久磁石ＰＭ１の外周側に配置され、永久磁石ＰＭ１のＳ極は、回転軸ＡＸ１を中心として永久磁石ＰＭ１の内周側に配置されている。
【０１０１】
永久磁石ＰＭ２は、Ｎ極と、Ｓ極と、を有する。永久磁石ＰＭ２のＮ極は、回転軸ＡＸ１を中心として永久磁石ＰＭ２の内周側に配置され、永久磁石ＰＭ２のＳ極は、回転軸ＡＸ１を中心として永久磁石ＰＭ２の外周側に配置されている。
【０１０２】
また、永久磁石部１１ａは、ヨーク１４を有する。ヨーク１４は、永久磁石ＰＭ１と永久磁石ＰＭ２との間に配置されている。以下では、ヨーク１４を内ヨークと称し、ヨーク１２を外ヨークと称することがある。図９に示す例では、回転軸ＡＸ１に沿った方向から視たときに、ヨーク１４は、回転軸ＡＸ１を中心とした径方向における両側に延伸し、永久磁石ＰＭ１及び永久磁石ＰＭ２は、ヨーク１４の回転軸ＡＸ１を中心とした径方向における両側の端部の各々に、接続されている。
【０１０３】
磁気回路について、パーミアンス係数ｐを定義することは、一般に難しい。それでも、実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法において説明したように、上記式（数３）に相当するものと上記式（数４）に相当するものとの相乗平均は、最大値があるという図５の相乗平均の傾向と同様の傾向を示すと予想される。
【０１０４】
そこで、本発明者らは、図７のステップＳ１を行って、上記式（数３）に相当するものとして空隙における磁束密度Ｂｇを、また、上記式（数４）に相当するものとして空隙における磁束密度Ｂｇと空隙の長さｌｇとの積を、それぞれ数値解析から算出した。なお、磁気回路の数値解析を行う際は、磁場解析ソフトウェア（商品名：ＥＬＦ／ＭＡＧＩＣ、株式会社エルフ製）を用いて、永久磁石部１１ａが発生する磁束密度を算出した。
【０１０５】
実施例１における数値解析用８分の1モデルの例を、ｌｇ＝２２ｍｍとして図１０に示す。図１０では、永久磁石ＰＭ、外ヨークとしてのヨーク１２、及び、内ヨークとしてのヨーク１４を示しているが、解析時間を節約するべく、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向の正の向きへ半分にした数値解析用のモデルを用いた。また、永久磁石ＰＭとヨーク１２との間の空隙の径方向の中央に磁束密度の評価面ＥＳを用意した。図１０の内、この評価面ＥＳだけを図１１に示す。なお、数値解析に用いた各部分の寸法及び角度を、図９に示す。
【０１０６】
永久磁石ＰＭの減磁曲線は、永久磁石ＰＭが入手可能なものであるべきという点から、図１２のグラフに示すようなものとした。また、内ヨークとしてのヨーク１４と外ヨークとしてのヨーク１２との磁気特性を、図１３のグラフに示すようなものとした。
【０１０７】
実施例１において、数値解析によって算出した、磁束密度の評価面ＥＳにおける分布の例を、空隙の長さｌｇ＝２２ｍｍとして図１４に示す。空隙の周方向と軸方向の中央でもある箇所の磁束密度を、空隙における磁束密度Ｂｇの代表とすることにした。例えば、ｌｇ＝２２ｍｍの場合に、上記式（数３）に相当するもの（温度差の指標となる）としてＢｇ＝０．７８２Ｔとなる。このとき、上記式（数４）に相当するもの（冷凍能力の指標となる）としてＢｇｌｇ＝１７．２Ｔｍｍとなる。
【０１０８】
また、実施例１において、図７のステップＳ２を行って、ｌｇを２ｍｍから４２ｍｍまで５ｍｍずつ変更しながら数値解析（図７のステップＳ１）を繰り返すことにより算出したＢｇとＢｇｌｇとのｌｇ依存性を、図１５のグラフに示す。Ｂｇは、上記式（数３）に相当するものとして、下に凸の減少という図３の実線部分の傾向と同様の傾向を示した。また、Ｂｇｌｇは、上記式（数４）に相当するものとして、上に凸の増加という図４の実線部分の傾向と同様の傾向を示した。
【０１０９】
数値解析から算出した、空隙の長さｌｇに対する空隙における磁束密度Ｂｇについて、上記式（数３）に相当するものとしてのＢｇと、上記式（数４）に相当するものとしてのＢｇｌｇとの相乗平均（Ｂｇｌｇ１／２）は、予想通り、最大値があるという図５の相乗平均の傾向と同様の傾向を示した。これを図１６のグラフに示す。この最大値をもたらすｌｇ＝２２ｍｍ（間隔ＬＧ２に相当する）付近において、生成される温度差と冷凍能力を両立させることができると考えられる。
【０１１０】
以上の結果により、実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法は、図９に示すように、永久磁石部１１ａと、ヨーク１２と、ダクト１３と、を備えた磁気ヒートポンプ装置１０ａであって、磁気回路が磁束密度を代数計算によって算出することが困難な複雑なモデルよりなる場合でも、適用可能であることが明らかになった。
【０１１１】
（実施例２）
次に、実施例２の磁気ヒートポンプ装置の設計方法により設計される磁気ヒートポンプ装置が有する磁気回路として、図１７に示す円環状ハルバッハ配列型の磁気回路を検討した。図１７は、実施例２において磁気ヒートポンプ装置が有する磁気回路を示す図である。図１７に示す矢印の向きは、永久磁石の磁化の向きである。空隙に磁気作業物質を配置し得る。
【０１１２】
図１７に示すように、実施例２の磁気ヒートポンプ装置の設計方法により設計される磁気ヒートポンプ装置１０ｂは、磁場発生部としての永久磁石部１１ｂと、継鉄部としてのヨーク１２と、熱発生部としてのダクト１３と、を備えている。永久磁石部１１ｂは、位置ＰＳ１に移動可能に設けられ、且つ、磁場を発生する。ヨーク１２は、永久磁石部１１ｂが位置ＰＳ１に移動されている時に永久磁石部１１ｂと空隙ＧＰ１を挟んで間隔ＬＧ１で対向する。ダクト１３は、空隙ＧＰ１に設けられている。ダクト１３には、磁気作業物質を含む磁気作業部１３ａが格納されており、永久磁石部１１ｂが位置ＰＳ１に移動される際に、ダクト１３は、温熱を発生し、永久磁石部１１ｂが位置ＰＳ１から移動される際に、ダクト１３は、冷熱を発生する。
【０１１３】
なお、図１７では、磁気ヒートポンプ装置１０ｂがダクト１３を４個有する場合を例示するが、磁気ヒートポンプ装置１０ｂが有するダクト１３の個数は４個に限定されない。
【０１１４】
ここで、間隔ＬＧ１は、前述した図１を用いて説明した空隙の長さｌｇに相当するものであり、図１７においては、間隔ＬＧ１に符号ＬＧ１を付して表示し、且つ、間隔ＬＧ１に対して空隙の長さｌｇを併記して表示している。
【０１１５】
また、図１７に示すように、実施例２における磁気ヒートポンプ装置１０ｂでは、永久磁石部１１ｂは、回転軸ＡＸ１を中心として回転可能に設けられ、ヨーク１２は、永久磁石部１１ｂよりも外周側に設けられている。また、ダクト１３は、永久磁石部１１ｂの外周とヨーク１２の内周との間の空隙ＧＰ１に設けられ、且つ、永久磁石部１１ｂが回転する際に、温熱又は冷熱を発生する。
【０１１６】
永久磁石部１１ｂは、永久磁石部１１ｂの回転方向に沿って、ハルバッハ（Halbach）配列された複数の永久磁石ＰＭを有する。複数の永久磁石ＰＭは、回転軸ＡＸ１を中心として永久磁石部１１ｂよりも外周側の磁場の強度が、回転軸ＡＸ１を中心として永久磁石部１１ｂよりも内周側の磁場の強度よりも大きくなるように、永久磁石部１１ｂの回転方向に沿ってハルバッハ配列されている。
【０１１７】
具体的には、永久磁石部１１ｂは、複数の永久磁石ＰＭとして、永久磁石部１１ｂの回転方向に沿って順次配置された、永久磁石ＰＭ１、２個の永久磁石ＰＭ３、永久磁石ＰＭ２及び２個の永久磁石ＰＭ４を有する。永久磁石ＰＭ１及び永久磁石ＰＭ２は、永久磁石ＰＭ１の回転軸ＡＸ１を中心とした回転角を例えば０°としたときに、永久磁石ＰＭ２の回転軸ＡＸ１を中心とした回転角が例えば１８０°になるように、配置されている。
【０１１８】
なお、図１７では、永久磁石ＰＭ１、ＰＭ２、ＰＭ３及びＰＭ４の各々の磁化の向きを矢印により示している。
【０１１９】
永久磁石ＰＭ１は、回転軸ＡＸ１を中心として永久磁石部１１ｂの径方向に沿って永久磁石ＰＭ１の外周側に配置されたＮ極と、回転軸ＡＸ１を中心として永久磁石部１１ｂの径方向に沿って永久磁石ＰＭ１の内周側に配置されたＳ極と、を含む。永久磁石ＰＭ２は、回転軸ＡＸ１を中心として永久磁石部１１ｂの径方向に沿って永久磁石ＰＭ２の外周側に配置されたＳ極と、回転軸ＡＸ１を中心として永久磁石部１１ｂの径方向に沿って永久磁石ＰＭ２の内周側に配置されたＮ極と、を含む。
【０１２０】
２個の永久磁石ＰＭ３の各々は、永久磁石部１１ｂの回転方向に沿って永久磁石ＰＭ１側に配置されたＮ極と、永久磁石部１１ｂの回転方向に沿って永久磁石ＰＭ１側と反対側、即ち永久磁石ＰＭ２側に配置されたＳ極と、を含む。２個の永久磁石ＰＭ４の各々は、永久磁石部１１ｂの回転方向に沿って永久磁石ＰＭ１側に配置されたＮ極と、永久磁石部１１ｂの回転方向に沿って永久磁石ＰＭ１側と反対側、即ち永久磁石ＰＭ２側に配置されたＳ極と、を含む。なお、２個の永久磁石ＰＭ３の間に、継鉄部としてのヨーク１５が設けられ、２個の永久磁石ＰＭ４の間に、継鉄部としてのヨーク１６が設けられている。以下では、ヨーク１５及び１６を内ヨークと称し、ヨーク１２を外ヨークと称することがある。
【０１２１】
このように複数の永久磁石を配置することにより、永久磁石ＰＭ１のＮ極から出た磁力線は、永久磁石ＰＭ１と隣り合う永久磁石ＰＭ３のＮ極、及び、永久磁石ＰＭ１と隣り合う永久磁石ＰＭ４のＮ極、のいずれにも入らないため、永久磁石ＰＭ１よりも外周側に大きく広がる。しかし、永久磁石ＰＭ１のＳ極に入る磁力線は、永久磁石ＰＭ１と隣り合う永久磁石ＰＭ３のＮ極、及び、永久磁石ＰＭ１と隣り合う永久磁石ＰＭ４のＮ極のいずれかから出たものであるため、永久磁石ＰＭ１よりも内周側にはあまり広がらない。そのため、永久磁石ＰＭ１よりも外周側における磁場の強度が、永久磁石ＰＭ１よりも内周側における磁場の強度よりも大きい。
【０１２２】
また、永久磁石ＰＭ２のＳ極に入る磁力線は、永久磁石ＰＭ２と隣り合う永久磁石ＰＭ３のＳ極、及び、永久磁石ＰＭ２と隣り合う永久磁石ＰＭ４のＳ極、のいずれからも出たものではないため、永久磁石ＰＭ２よりも外周側に大きく広がる。しかし、永久磁石ＰＭ２のＮ極から出た磁力線は、永久磁石ＰＭ２と隣り合う永久磁石ＰＭ３のＳ極、及び、永久磁石ＰＭ２と隣り合う永久磁石ＰＭ４のＳ極のいずれかに入るため、永久磁石ＰＭ２よりも内周側にはあまり広がらない。そのため、永久磁石ＰＭ２よりも外周側における磁場の強度が、永久磁石ＰＭ２よりも内周側における磁場の強度よりも大きい。
【０１２３】
実施例２でも、実施例１と同様に、上記式（数３）に相当するものと上記式（数４）に相当するものとの相乗平均は、最大値があるという図５の相乗平均の傾向と同様の傾向を示すと予想される。
【０１２４】
そこで、本発明者らは、実施例１と同様に、図７のステップＳ１を行って、上記式（数３）に相当するものとして空隙における磁束密度Ｂｇを、また、上記式（数４）に相当するものとして空隙における磁束密度Ｂｇと空隙の長さｌｇとの積を、それぞれ数値解析から算出した。
【０１２５】
実施例２における数値解析用８分の１モデルの例を、ｌｇ＝２２ｍｍとして図１８に示す。図１８では、２個の永久磁石ＰＭ、外ヨークとしてのヨーク１２、及び、内ヨークとしてのヨーク１６を示しているが、実施例１と同様に、解析時間を節約するべく、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向の正の向きへ半分にした数値解析用のモデルを用いた。また、実施例１と同様に、永久磁石ＰＭとヨーク１２との間の空隙の径方向の中央に磁束密度の評価面ＥＳを用意した。また、永久磁石ＰＭの減磁曲線は、実施例１と同様に、図１２のグラフに示すようなものとし、内ヨークとしてのヨーク１５及び１６と外ヨークとしてのヨーク１２との磁気特性は、実施例１と同様に、図１３のグラフに示すようなものとした。なお、数値解析に用いた各部分の寸法及び角度を、図１７に示す。
【０１２６】
実施例２において、数値解析によって算出した、磁束密度の評価面ＥＳにおける分布の例を、空隙の長さｌｇ＝２２ｍｍとして図１９に示す。実施例１と同様に、空隙の周方向と軸方向の中央でもある箇所の磁束密度を、空隙における磁束密度Ｂｇの代表とすることにした。例えば、ｌｇ＝２２ｍｍの場合に、上記式（数３）に相当するもの（温度差の指標となる）としてＢｇ＝０．９０９Ｔとなる。このとき、上記式（数４）に相当するもの（冷凍能力の指標となる）としてＢｇｌｇ＝２０．０Ｔｍｍとなる。
【０１２７】
また、実施例２において、図７のステップＳ２を行って、ｌｇを２ｍｍから４２ｍｍまで５ｍｍずつ変更しながら数値解析（図７のステップＳ１）を繰り返すことにより算出したＢｇとＢｇｌｇとのｌｇ依存性を、図１５のグラフへ追記したグラフを、図２０に示す。実施例１と同様に、Ｂｇは、上記式（数３）に相当するものとして、下に凸の減少という図３の実線部分の傾向と同様の傾向を示した。また、実施例１と同様に、Ｂｇｌｇは、上記式（数４）に相当するものとして、上に凸の増加という図４の実線部分の傾向と同様の傾向を示した。なお、ハルバッハ配列の効果によって、実施例２におけるＢｇは、実施例１におけるＢｇよりも大きく、従って、実施例２におけるＢｇｌｇは、実施例１におけるＢｇｌｇよりも大きかった。即ち、実施例２の磁気回路において生成される温度差と冷凍能力は、実施例１の磁気回路において生成される温度差と冷凍能力よりも大きくすることができると考えられる。
【０１２８】
実施例１と同様に、数値解析から算出した、空隙の長さｌｇに対する空隙における磁束密度Ｂｇについて、上記式（数３）に相当するものとしてのＢｇと、上記式（数４）に相当するものとしてのＢｇｌｇとの相乗平均（Ｂｇｌｇ１／２）は、予想通り、最大値があるという図５の相乗平均の傾向と同様の傾向を示した。これを図１６のグラフへ追記したグラフを、図２１に示す。ＢｇとＢｇｌｇとが何れも実施例１より大きかったということの効果によって、Ｂｇｌｇ１／２は実施例１より大きかったが、Ｂｇｌｇ１／２の最大値をもたらすｌｇも実施例１より大きかった。即ち、ハルバッハ配列を有することにより、実施例２の磁気回路では、ＢｇとＢｇｌｇに加えてＢｇｌｇ１／２を実施例１の磁気回路より大きくするが、Ｂｇｌｇ１／２の最大値をもたらすｌｇも実施例１の磁気回路より大きくする。この最大値をもたらすｌｇ＝２７ｍｍ（間隔ＬＧ２に相当する）付近において、生成される温度差と冷凍能力を両立させることができると考えられる。
【０１２９】
以上の結果により、実施の形態の磁気ヒートポンプ装置の設計方法は、図１７に示すように、永久磁石部１１ｂと、ヨーク１２と、ダクト１３と、を備えた磁気ヒートポンプ装置１０ｂであって、永久磁石部１１ｂに含まれる永久磁石ＰＭがハルバッハ配列され、磁気回路が磁束密度を代数計算によって算出することが困難な複雑なモデルよりなる場合でも、適用可能であることが明らかになった。
【０１３０】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【０１３１】
本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１３２】
例えば、前述の各実施の形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明は、磁気熱量効果に基づく磁気ヒートポンプ装置の設計方法及び製造方法に適用して有効である。
【符号の説明】
【０１３４】
１ａ、１ｂ  永久磁石
２、１２、１４〜１６  ヨーク
３、１３  ダクト
３ａ、１３ａ  磁気作業部
１０、１０ａ、１０ｂ  磁気ヒートポンプ装置
１１、１１ａ、１１ｂ  永久磁石部
ＡＸ１  回転軸
ＢＧ１、ＢＧ２  磁束密度
ＥＳ  評価面
ＧＰ、ＧＰ１  空隙
ＬＧ、ＬＧ１  間隔
ＰＭ、ＰＭ１〜ＰＭ４  永久磁石
ＰＳ１、ＰＳ２  位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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