(57)【要約】【課題】簡易な設計によって冷凍能力などの熱交換効率を更に向上可能な磁気熱量素子及びそれを使用した磁気ヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】キュリー温度が異なる複数の磁性体を、軸方向に沿ってキュリー温度順に直列に配列した、磁気ヒートポンプ装置用の磁気熱量素子２０である。隣り合う磁性体について、相対的に、キュリー温度が低い側の磁性体を低側磁性体と、キュリー温度が高い側の磁性体を高側磁性体としたとき、低側磁性体を構成する材料のエントロピー変化曲線と、高側磁性体を構成する材料のエントロピー変化曲線との交差位置Ｐが、低側磁性体を構成する材料のエントロピー変化分布の半値幅９よりもエントロピー変化値が高い位置である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キュリー温度が異なる複数の磁性体を、軸方向に沿って直列に配列した、磁気ヒートポンプ装置用の磁気熱量素子であって、
隣り合う磁性体について、相対的に、キュリー温度が低い側の磁性体を低側磁性体と、キュリー温度が高い側の磁性体を高側磁性体としたとき、
低側磁性体を構成する材料のエントロピー変化曲線と、高側磁性体を構成する材料のエントロピー変化曲線との交差位置が、低側磁性体を構成する材料のエントロピー変化分布の半値幅よりもエントロピー変化値が高い位置であることを特徴とする磁気ヒートポンプ装置用の磁気熱量素子。
【請求項２】
上記複数の磁性体の少なくとも１つのエントロピー変化分布のピーク値が、他の磁性体のエントロピー変化分布のピーク値と異なることを特徴とする請求項１に記載した磁気ヒートポンプ装置用の磁気熱量素子。
【請求項３】
上記複数の磁性体を構成する各材料の断熱温度変化の分布のピーク値について、最も断熱温度変化の分布のピーク値が低い磁性体のピーク値と、最も断熱温度変化の分布のピーク値が高い磁性体のピーク値との温度差が、最も断熱温度変化の分布のピーク値が低い磁性体のピーク値の１８％以下としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した磁気ヒートポンプ装置用の磁気熱量素子。
【請求項４】
上記直列に配列する複数の磁性体を等間隔に配列させたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した磁気ヒートポンプ装置用の磁気熱量素子。
【請求項５】
中心軸周りに回転可能な永久磁石と、上記永久磁石の外周側に円環状に配置されると共に複数の磁気熱量素子が円周方向に並列して設けられ、上記各磁気熱量素子が装置の軸方向に沿って延在する磁気ヒートポンプ装置であって、
上記磁気熱量素子が、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載した磁気熱量素子であることを特徴とする磁気ヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の磁性体をカスケード状に配列した磁気熱量素子、及びそれを用いた磁気ヒートポンプ装置に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
磁気冷凍ヒートポンプ装置は、特許文献１に記載のように、回転軸に固定された永久磁石の外周側に円周方向に沿って複数の作業室２が配列し、各作業室２にそれぞれ磁気熱量素子を構成する磁性体６が収納されている（図１参照）。また、永久磁石３の回転に同期して、作業室２内の磁性体６への熱伝導媒体（水などの作業流体）の流入・流出を調節する弁を備える。
各作業室２の軸方向端部の開口部は、例えば特許文献１や図１に示す、連通孔プレート１で閉塞され、その連通孔プレート１（バルブプレート）に各作業室２への連通孔１ａ、１ｂが形成されている。連通孔１ａ、１ｂは、例えば外周側の流出用連通孔と内周側の流入用連通孔を構成する。
【０００３】
図１では、その連通孔プレート１の前側には、ロータリー弁の回転ディスク４を備える場合が例示されている。回転ディスク４は永久磁石３と同期をとって回転する。その回転ディスク４には、円周方向に延びるスリット状の切欠き４ａ、４ｂが弁のポートとして形成され、その切欠き４ａ、４ｂを介して各作業室への熱伝導媒体の流出入制御が行われる。ここで例えばスリット状の切欠き４ａ、４ｂのうち、外周側が流出用であり、内周側が流入用である。
ここで、本発明が適用される磁気冷凍ヒートポンプ装置に適用される弁は、ロータリー弁でなくても良い。
また、熱交換効率を向上させる目的で、特許文献２に記載のように、作業室に対し複数種類の磁性材料をカスケード状（直列に）に積層（配置）するように充填することも行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５４８８５８０号公報
【特許文献２】特許第５８８４８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
磁気ヒートポンプ装置では、永久磁石による作業室内の磁性材料への消磁と励磁の繰り返しと同期させる形で、熱伝導媒体を各作業室に圧送することで、消磁領域においては低温を、励磁領域においては高温を取り出す。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、簡易な設計によって冷凍能力などの熱交換効率を更に向上可能な磁気熱量素子及びそれを使用した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】
【０００６】
課題を解決するために、本発明の一態様の磁気熱量素子は、キュリー温度が異なる複数の磁性体を、軸方向に沿って直列に配列した、磁気ヒートポンプ装置用の磁気熱量素子であって、隣り合う磁性体について、相対的に、キュリー温度が低い側の磁性体を低側磁性体と、キュリー温度が高い側の磁性体を高側磁性体としたとき、低側磁性体を構成する材料のエントロピー変化曲線と、高側磁性体を構成する材料のエントロピー変化曲線との交差位置が、低側磁性体を構成する材料のエントロピー変化分布の半値幅よりもエントロピー変化値が高い位置であることを要旨とする。
【０００７】
また、本発明の一態様の磁気ヒートポンプ装置は、熱伝導媒体が供給される磁気熱量素子として、上記一態様の磁気熱量素子を採用することを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、キュリー温度が異なる複数種類の磁性体を積層配置させる際に、各磁性体を構成する材料のエントロピー変化分布の半値幅を考慮して、キュリー温度が異なる複数種類の磁性体を直列配置することで、簡易な構成によって、更に効率良く熱量を取り出すことが可能となる。
更に、複数の磁性体を構成する各材料の断熱温度変化の分布のピーク値について、最も断熱温度変化の分布のピーク値が低い磁性体のピーク値と、最も断熱温度変化の分布のピーク値が高い磁性体のピーク値との温度差が、最も断熱温度変化の分布のピーク値が低い磁性体のピーク値の１８％以下、より好ましくは温度差がないように設定することで、直列に配置する複数の磁性体を同量（等間隔）に設定することが可能となり、磁気熱量素子の作製が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】磁気冷凍ヒートポンプ装置の構成を説明する概略分解図である。
【図２】本発明に基づく磁気熱量素子の配列を例示する断面図である。
【図３】エントロピー変化曲線の重なりを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に本発明に実施形態について図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
（構成）
本実施形態の磁気冷凍ヒートポンプ装置の基本構成は、図１に示す従来構成と同様であるが、周方向に配列した磁気熱量素子２０の構成が異なる。
本実施形態の磁気冷凍ヒートポンプの基本構成は、図２に示すように、不図示のモータで回転駆動される回転軸１０に永久磁石３が固定されている。永久磁石３の外周には、それぞれ磁気熱量素子２０が収容された複数の作業室２が配置されている。複数の作業室２は、回転軸１０と同心の円環状となるように、円周方向に沿って配列している。更に複数の作業室２の外周側には、円環状のヨーク（不図示）が設けられている。
【００１１】
各作業室２の軸方向端部の開口部は、それぞれ連通孔プレート１で閉塞され、その連通孔プレート１（バルブプレート）に各作業室２への連通孔が形成されている（図１参照）。その連通孔プレート１の前側には、永久磁石３の回転と共に回転するロータリー弁の回転ディスク４が配置される（図１参照）。回転ディスク４には、円周方向に延びるスリット状の切欠きが弁のポートとして開口し、そのスリットを介して熱伝導媒体の流出入制御が行われる。例えばスリットのうち、外周側が流出用であり、内周側が流入用である（図１参照）。
ここで、以下に説明する磁気熱量素子２０以外の構成については、公知の磁気冷凍ヒートポンプ装置の構成を採用しても良い。また、本実施形態の磁気熱量素子２０は、磁気冷凍ヒートポンプ装置に限定されず、磁気熱量効果を用いた磁気ヒートポンプ装置であれば適用可能であり、磁気熱量素子２０以外は、他の公知の磁気ヒートポンプ装置の構造を適宜適用可能である。
【００１２】
＜磁気熱量素子２０＞
各作業室２には、磁気熱量素子２０が軸方向に沿って配置されている。磁気熱量素子２０は、各作業室２に対し、複数の磁性体Ｍが、キュリー温度の低い材料から順番（図２では、紙面左側から右側に向けてキュリー温度の温度が高くなる順）に軸方向に沿って収容されて構成されている。図２では、収容される複数の磁性体Ｍが５種類の場合を例示し、その５種類の磁性体Ｍの材料の各キュリー温度が下記のような関係にあるものとする。
Ｍ１  ＜  Ｍ２  ＜Ｍ３  ＜  Ｍ４  ＜  Ｍ５
【００１３】
この５種類の磁性体Ｍは、図２に示すように、並び方向の各長さが等しくなるように設定して、つまり各質量が等量になるようにして、作業室２に順番に収容されて直列配置されている。
５種類の磁性体Ｍとしては、断熱温度変化の分布のピーク値ΔＴａｄがほぼ等しい材料を使用する。
本実施形態では、マンガン系材料からなる磁性体Ｍを使用し、各断熱温度変化分布のピーク値ΔＴａｄが１．６（Ｋ）近辺のものを採用した。
【００１４】
具体的には、複数の磁性体を構成する各材料の断熱温度変化分布のピーク値ΔＴａｄについて、最も断熱温度変化分布のピーク値が低い磁性体のピーク値と、最も断熱温度変化分布のピーク値が高い磁性体のピーク値との温度差が、最も断熱温度変化の分布のピーク値が低い磁性体のピーク値の１８％以下となるように材料の選定を行う。
ここで、各断熱温度変化のピーク値ΔＴａｄをほぼ同じ値に設定可能な磁性体の材料として、マンガン系材料の他、ランタン系材料、ランタン系水素化材料、ガドリニウム系材料が例示できる。
【００１５】
発明者が確認したところ、マンガン系及びランタン系材料では、ΔＴａｄ＝１．６Ｋ±３２％、ランタン系水素化材料ではΔＴａｄ＝２．９Ｋ±１８％であれば、各磁性体Ｍをそれぞれ等間隔となるようにして直列に配置することが可能であることを確認した。このため、ピーク値ΔＴａｄの温度差を１８％以下に設定した。ピーク値ΔＴａｄの温度差は、好ましくは１０％以下、より好ましくは５パーセント以下である。
ここで、５種類の磁性体Ｍは、同じ系列の材料を採用し、その配合比を調整することで、各断熱温度変化分布のピーク値ΔＴａｄを揃えつつ、エントロピー変化分布やキュリー温度を調整することが可能である。
【００１６】
また、本実施形態では、図３に示すように、隣り合う磁性体について、相対的に、キュリー温度が低い側の磁性体を低側磁性体（図３中左側）、キュリー温度が高い側の磁性体を高側磁性体（図３中右側）としたとき、低側磁性体を構成する材料のエントロピー変化曲線と、高側磁性体を構成する材料のエントロピー変化曲線との交差位置Ｐが、低側磁性体を構成する材料のエントロピー変化分布の半値幅９よりもエントロピー変化値Δｓが高い位置となるように設定する。
交差位置Ｐは、低側磁性体を構成する材料のエントロピー変化の半値幅９よりもエントロピー変化値が高い位置であれば特に問題はないが、低側磁性体を構成する材料のエントロピー変化分布のピーク値の８０パーセント以下の位置で交差させることが好ましい。隣り合う磁性体のピーク値が近づきすぎると、ピーク値ΔＴａｄに差がない場合、隣り合う磁性体間のキュリー温度の差が、必要以上に小さくなる可能性がある。
【００１７】
図３に示す設定例では、左側から右側の行くほどキュリー温度が高く設定され、隣り合う磁性体のうち、左側の磁性体のエントロピー変化曲線におけるピーク値よりも高温側で且つ当該左側の磁性体の半値幅９よりも高い位置で、右側の磁性体のエントロピー変化曲線におけるピーク値よりも低温側の曲線が交差するように、相対的に、左側の磁性体に対する右側の磁性体のキュリー温度を設計する。
ここで、図３ではキュリー温度が高くなるほど、エントロピー変化分布のピーク値が高くなる場合を例示しているが、これに限定されない。途中の磁性体のエントロピー変化分布のピーク値が相対的に低い材料が配置されていても良い。
このように、本実施形態では、各磁性体Ｍのキュリー温度を先に決定して設計するのではなく、各エントロピー変化分布の曲線について上記関係となるように設計することで、５種類の磁性体Ｍのキュリー温度を特定する。このため、５種類の磁性体Ｍのキュリー温度が必ずしも等温度間隔で高くなるように配置されるとは限らない。
【００１８】
（動作その他）
永久磁石３の回転に伴い、永久磁石３の磁極に近い側の磁性体Ｍに磁場が印加（励磁）されて加熱されると共に、永久磁石３の磁極から離れて消磁された磁性体Ｍでは温度が下がって低温となる。
このとき、隣り合う磁性体のエントロピー変化分布の関係が、上記のように設定することで、全体としての潜熱が高くなり、直列配置の磁性体Ｍによって、低温及び高温をより熱交換効率を高くし、大きな熱量として取り出すことが可能となる。本実施形態では、高い冷凍能力を得ることが出来ることを確認した。
【００１９】
さらに、直列配置する複数の磁性体Ｍの断熱温度変化の分布のピーク値ΔＴａｄを揃えることで、複数の磁性体を等量づつに、つまり単純に等間隔で充填させて磁気熱量素子２０を作製できる。このため、特許文献２の構成に比べて、熱交換効率を高めつつ磁気熱量素子２０の作製作業が簡易となる。
また、各磁性体Ｍのエントロピー変化分布のピーク値を揃える必要がないため、磁性体Ｍとして使用する磁性材料の選定範囲を狭める必要がない。
なお、本実施形態では、磁性体として粒状体を想定して説明しているが、その他の形態の磁性体を用いてもよい。
【００２０】
ここで、発明者が確認したところ、エントロピー変化Δｓについて、少なくとも下記範囲であれば、等量充填でも性能が確保できることも確認している。
マンガン系材料：８．５Ｊ／ｋｇＫ±４３％
ランタン系材料：３．９Ｊ／ｋｇＫ±１６％
ランタン系水素化材料：１１．４Ｊ／ｋｇＫ±２９％
すなわち、複数の磁性体を等量充填で配置しても、直列配置する複数の磁性体のエントロピー変化分布のピーク値を同じ値に揃える必要がない。すなわち、材料の選定条件が厳しくなることもない。
ここで、上記説明では、直列配置した複数の磁性体が等間隔の場合を例示しているが、多少の長さ違いが存在していても構わない。例えば１０％以下の長さ違いを有していても良い。
【符号の説明】
【００２１】
２     作業室
３     永久磁石
９     半値幅
１０   回転軸
２０   磁気熱量素子
Ｍ     磁性体
Ｐ     交差位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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