(57)【要約】【課題】フロンレスなど環境への負荷が小さく、小型で効率が高い磁気冷凍デバイス及びこのような磁気冷凍デバイスを用いた磁気冷凍方法を提供する。【解決方法】磁性体と接触するようにして配置された構成された磁性流体と、磁性体に対して磁界を印加するための磁界印加手段と、磁界印加手段を所定の方向に往復させて磁性体に対する磁界の印加及び除去を繰り返す磁界印加除去手段とを具え、磁界の印加及び除去に起因した磁性体の吸熱及び発熱によって加熱及び冷却されるとともに、磁界印加手段の移動に起因した磁気吸引力によって移動することで、磁性体の両端に高温部と低温部とを生成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気熱量効果を有する磁性体と、
前記磁性体と接触するようにして配置された磁性流体と、
前記磁性体に対して磁界を印加するための磁界印加手段と、
前記磁界印加手段を所定の方向に往復させて前記磁性体に対する磁界の印加及び除去を繰り返す磁界印加除去手段とを具え、
前記磁性流体は、前記磁界の印加及び除去に起因した前記磁性体の吸熱及び発熱によって加熱及び冷却されるとともに、前記磁界印加手段の移動に起因した磁気吸引力によって移動することで、前記磁性体の両端に高温部と低温部とを生成することを特徴とする、磁気冷凍デバイス。
【請求項２】
前記磁性流体は感温性磁性流体であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気冷凍デバイス。
【請求項３】
前記磁界生成手段は、永久磁石回路であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁気冷凍デバイス。
【請求項４】
前記磁性流体を、圧力差を利用して前記磁性体の長さ方向に移動させるための弁及び弁開閉機構を具えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の磁気冷凍デバイス。
【請求項５】
前記弁開閉機構は、前記磁界印加除去手段の駆動と同期して前記弁の開閉を行うように構成されたことを特徴とする、請求項４に記載の磁気冷凍デバイス。
【請求項６】
前記磁界印加除去手段はばね部材を含み、前記弁の開閉は前記ばね部材の伸縮に伴う機械的な遅延を伴ってなされることを特徴とする、請求項５に記載の磁気冷凍デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気熱量効果を有する磁性体を用いて比較的低い磁場で室温域から−１００℃程度の冷凍を実現できる磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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り、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。最近では、自然冷媒（ＣＯ２等）やイソブタンを用いた改良を行っている。
【０００３】
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、クリーンで且つ効率の高い冷凍技術の実用化が求められている。
【０００４】
近年、このような環境配慮型で且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。
【０００５】
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て、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、これによって低温を生成している。
【０００６】
磁気冷凍システムは、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Gd2(SO4)3・8H2Oなどの常磁性塩やGd3Ga5O12(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システムが開発された。常磁性物質を使用した磁気冷凍を実現する冷凍システムでは、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。
【０００７】
これに対して、より高温での磁気冷凍をすべく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、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、RAl2（Rは希土類元素を表す、以下において同じ）、RNi2、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。
【０００８】
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(US−Pat.4332135)。この磁気冷凍方式は、AMR方式（”Active Magnetic Refrigeration”）と呼ばれている。これらの冷凍システムは、両者共に超伝導磁石を用いた強磁場下での動作である。
【０００９】
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方式の磁気冷凍機を試作し、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冷凍効率（COP）は１〜３程度である。
【００１０】
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：０Ｔ，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ものの、回転駆動系に冷媒循環を内蔵させる複雑な構造と冷却能力不足が課題である。
【特許文献１】USP4,332,135
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、以上のような磁気冷凍技術の問題点である極低温域および超電導磁石の利用による大型化と大電力使用あるいは近年の永久磁石利用でも複雑構造と冷却能力不足や低効率などの課題が多く、これらの解決手段として考案されたものである。本発明の目的は、フロンレスなど環境への負荷が小さく、小型で効率が高い磁気冷凍デバイス及びこのような磁気冷凍デバイスを用いた磁気冷凍方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、
磁気熱量効果を有する磁性体と、
前記磁性体と接触するようにして配置された構成された磁性流体と、
前記磁性体に対して磁界を印加するための磁界印加手段と、
前記磁界印加手段を所定の方向に往復させて前記磁性体に対する磁界の印加及び除去を繰り返す磁界印加除去手段とを具え、
前記磁性流体は、前記磁界の印加及び除去に起因した前記磁性体の吸熱及び発熱によって加熱及び冷却されるとともに、前記磁界印加手段の移動に起因した磁気吸引力によって移動することで、前記磁性体の両端に高温部と低温部とを生成することを特徴とする、磁気冷凍デバイスに関する。
【００１３】
上述したような従来のAMR方式においては、磁気冷凍デバイスを構成する磁性体に順次に磁界を印加及び除去すべく、磁界生成手段を駆動させるための制御装置、例えばアクチュエータと、前記磁性体中に冷媒を流し、前記磁性体の流れ方向において高温部及び低温部を生成するための冷媒駆動装置を別途に設ける必要があった。すなわち、AMR方式の磁気冷凍デバイスを実現させるためには、少なくとも磁界生成手段に対する駆動装置及び冷媒に対する駆動装置の双方を設け、これらを駆動させる必要があった。
【００１４】
一方、上記本発明の態様においては、冷媒として磁性流体を用いているとともに、磁性体に磁界を印加するための磁界発生手段を具備した磁界印加除去手段なる単一の駆動装置を用い、この駆動装置を前記磁性体の長さ方向に移動させることにより、前記冷媒の移動を前記磁性体に印加及び除去される磁界に起因した前記磁性流体に対する磁気吸引力を利用して前記磁性体の長さ方向に移動させるようにしている。したがって、従来のAMR方式のように、前記磁性体の順次の吸熱及び発熱を利用して前記冷媒（磁性流体）を順次に加熱及び冷却することにより、前記磁性体の流れ方向において高温部及び低温部を生成することができ、磁気冷凍デバイスを構成することができる。
【００１５】
しかしながら、本発明の上記態様においては、磁性体に磁界を印加するための磁界発生手段を具備した磁界印加除去手段なる単一の駆動装置を用いているのみであって、別途冷媒の駆動手段（装置）などを設ける必要がない。したがって、上述した従来の磁気冷凍デバイスに比較して、駆動装置の数を低減することができるので、小型で効率が高い磁気冷凍デバイスを提供することができる。
【００１６】
なお、本発明でいう“磁性体の長さ方向”とは磁性体の長軸方向を意味し、上述した磁界印加除去手段の前記磁性体に対する駆動方向と一致するものである。例えば、前記磁性体が磁性粒子であって所定の容器内に充填されており、前記磁界印加除去手段が前記容器の外周面長さ方向に沿って駆動するような場合は、前記容器の前記外周面長さ方向を意味するものである。
【００１７】
本発明の他の態様では、前記磁性流体は感温性磁性流体とすることができる。この感温性磁性流体は、その磁性（磁化）が温度に依存して変化し、一般に温度上昇に伴って磁化が減少する傾向を示す。したがって、上述のように、磁性体に対して磁界生成手段から磁界を印加した後は、前記磁性体は前記磁界の印加による磁気熱量効果によって発熱し、前記磁性流体の温度が上昇するため磁気トルクが小さくなる。したがって、前記磁界生成手段からの磁界印加に比較して、前記磁性流体の移動は遅延するようになる。このような遅延時間を生成することにより、高温部と低温部との熱分離を効率的に行うことができるので、効率の高い磁気冷凍デバイスを提供することができるようになる。
【００１８】
また、本発明のその他の態様では、前記磁界生成手段は永久磁石回路とすることができる。この場合、磁界生成手段を小型化することができ、磁気冷凍デバイス全体の大きさを小型化することができる。
【００１９】
さらに、本発明の他の態様では、前記磁性流体を、圧力差を利用して前記磁性体の長さ方向に移動させるための弁及び弁開閉機構を具えることができる。この場合、前記磁性流体の移動を上述したような磁気吸引力だけではなく、圧力差をも利用して磁性体の長さ方向に移動させることができるので、より効率的に磁性流体（冷媒）の移動を行うことができる。したがって、より効率の高い磁気冷凍デバイスを提供することができる。
【００２０】
また、本発明のその他の態様では、前記弁開閉機構は、前記磁界印加除去手段と同期して前記弁の開閉を行うように構成する。これによって、磁性流体に対して磁気吸引力と弁開閉による圧力とが同時に印加されるようになるので、より効率的に磁性流体（冷媒）の移動を行うことができる。したがって、より効率の高い磁気冷凍デバイスを提供することができる。
【００２１】
さらに、上記態様においては、前記磁界印加除去手段はばね部材を含み、前記弁の開閉は前記ばね部材の伸縮に伴う機械的な遅延を伴って実施されるようにすることができる。この場合、前記磁性流体に対して磁気吸引力と弁開閉による圧力とが前記遅延を伴って印加されるようになるので、前記磁性流体（冷媒）の移動をより効果的に行うことができる。例えば、前記磁気吸引力が除去された後であっても、前記圧力が残存しているため、前記磁性流体（冷媒）は、この残存した圧力で移動させることができる。また、前記圧力が生じていない場合においても、前記磁気吸引力のみを先に印加させて前記磁性流体（冷媒）を移動させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、上述した本発明の態様によれば、フロンレスなど環境への負荷が小さく、小型で効率が高い磁気冷凍デバイス及びこのような磁気冷凍デバイスを用いた磁気冷凍方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明に係わる磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍方法を具体的な実施形態に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明の磁気冷凍デバイスの一例に係わる基本構成図である。図１において、１は磁気熱量効果を有する磁性体（磁性材料）であり、容器７中にセパレータ４で仕切って充填して用いる。磁気回路２は磁界発生手段であり、以下に示す磁性材料１への磁界の印加・除去を行う移動機構で動作させる。なお、この移動機構については、後の示す磁気冷凍デバイスの駆動システム図（説明図）に関連して詳述する。
【００２５】
容器７は、冷媒３で満たされており、図示しない冷媒移動部が取り付けられている。通常は、ポンプやピストンなどで冷媒を移動させるが、本実施形態では、以下に詳述するように、磁界生成手段を用いて冷媒を移動させる。一般に、冷媒には各種オイル系冷媒、エタノールなどを含めた溶剤系冷媒、水やこれらの混合液を用いるが、本実施形態では、磁性流体、好ましくは感温性磁性流体を用いる。
【００２６】
磁気冷凍デバイスでの冷凍サイクルについて説明する。まず、磁気回路２を磁性材料１に対峙させることで、磁界が印加され磁性材料１の磁化が変化し、これに伴うエントロピー変化で磁性材料１の温度が高くなる。次に、左右どちらかの冷媒流方向に冷媒を移動させる。次に、磁性材料１から磁気回路２を遠ざけて、同様の磁気熱量効果により、磁性材料１の温度が低下する。次に、先ほどとは異なる冷媒流方向に冷媒を移動させる。これら一連の冷凍サイクルを繰り返すことで低温端および高温端には温度差が生じる。この方法は、AMR方式（”Active Magnetic Refrigeration”）と称されており、磁性体の磁気熱量効果による磁性体自身の温度変化と磁性体自身が蓄熱する効果の両方を利用するものである。
【００２７】
ここで得られた低音端は、図示しない熱交換器で例えば冷凍庫内に低温を供給することが出来る。また、高温端は図示しない熱交換器で外気に放熱させる、あるいは物を暖める用途に用いることが出来る。
【００２８】
図１の磁気冷凍デバイスの基本構成に対し、本実施形態における磁気冷凍デバイスの駆動システム図（説明図）を図２および図３に示す。図２は磁界印加時の動作状態を示すものであり、図３は磁界除去時の動作状態を示すものである。磁性材料１はＧｄ球であり、セパレータ４で保持した構造の容器７に充填してある。冷媒３は、磁性流体である。
【００２９】
リニア駆動アクチュエータ１１に固定された磁気回路２が磁性材料１方向に移動すると、磁性材料１と磁気回路２とが同じ位置に来ることで磁界印加（磁界ON）となり、磁性材料１が磁気熱量効果により発熱し、磁性流体（冷媒）３の温度が上昇する。磁性流体（冷媒）３は磁気回路２の磁界による磁気トルク（磁気吸引力）を受けて、磁性材料１に接触するようにして右方向に移動する。このようにして、高温端６側の温度が上昇するようになる。
【００３０】
次いで、図３に示すように、リニア駆動アクチュエータ１１に固定された磁気回路２を磁性材料１から遠ざかる方向に移動させる。磁性材料１と磁気回路２が離れることで磁界除去（磁界OFF）となり、磁性材料１が磁気熱量効果により冷熱し、磁性流体（冷媒）３の温度も低下する。磁性流体（冷媒）３は磁気回路２の磁界による磁気トルクを受けて、磁気回路２の移動方向へ向けて移動する。このようにして、低温端５側の温度が低下するようになる。
【００３１】
上述したように、本実施形態の磁気冷凍デバイスにおいては、冷媒３を移動させる際に、磁気回路２を駆動させるためのリニア駆動アクチュエータに加えて、別途冷媒３の移動手段を設ける必要がないので、前記磁気冷凍デバイスを小型化することができるとともに、その効率を増大させることができる。
【００３２】
磁性流体（冷媒）３は、上述した磁気トルク（磁気吸引力）に加え、前記圧力差の起因した圧力の影響によっても磁性材料１に接触するようにして右方向（高温端側）に移動させることが可能である。
【００３３】
磁気回路２の磁界により磁界感応型開閉弁８が開き、リニア駆動アクチュエータ１１に固定されたピストン１０により、リニア移動型開閉弁９が閉じる。このような弁の開閉によって、磁性材料１の長さ方向、すなわち高温端６と低温端５との間に圧力差（低温端５が高圧で高温端６が低圧）が生じる。換言すれば、本実施形態においては、磁気トルク（磁気吸引力）と圧力との影響を受けて、磁性流体（冷媒３）が右方向（高温端側）に移動することになる。結果として、より効率的に磁性流体（冷媒）３の移動を行うことができ、より効率の高い磁気冷凍デバイスを提供することができる。
【００３４】
また、リニア駆動アクチュエータ１１に固定されたピストン１０がリニア移動型開閉弁９から離れることで弁が開き、さらに、磁気回路２の磁界が弱まり、磁界感応型開閉弁８が閉じることによって、高温端６と低温端５との間に圧力差（低温端５が低圧で高温端６が高圧）が生じる。したがって、磁性流体（冷媒）３は、上述した磁気トルク（磁気吸引力）とに加え、前記圧力差の起因した圧力の影響によっても磁性材料１に接触するようにして左方向（低温端側）に移動するようになる。換言すれば、本実施形態においては、磁気トルク（磁気吸引力）と圧力との影響を受けて、磁性流体（冷媒）３が右方向（低温端側）に移動することになる。結果として、より効率的に磁性流体（冷媒）３の移動を行うことができ、より効率の高い磁気冷凍デバイスを提供することができる。
【００３５】
このように、図２及び３に示す操作、すなわち磁界のON-OFFサイクルを繰り返すことにより、加熱された磁性流体（冷媒）３は右方向（高温端）へ移動し、冷却された磁性流体（冷媒）３は左方向（低温端）へ移動するようになるので、低温端５と高温端６の温度差が開き、最終的には熱バランスした状態で定常状態となり、高温部と低温部との熱分離を実現して磁気冷凍デバイスを提供せしめることができるようになる。
【００３６】
図４及び図５は、上記実施形態の変形例を示す構成図である。なお、これらの図では特徴部分のみを拡大して示し、類似あるいは同一の構成要素に関しては同じ参照符号を用いている。
【００３７】
図４及び図５に示すように、本実施形態では、ばね装置１２中にリニア移動型開閉弁９が収納されている。ばね装置１２の前方（左方）にはばね部材１２ａが設けられ、後方（右方）にはばね部材１２ｂが設けられている。なお、（ばね部材１２ａのばね定数）＜（ばね部材１２ｂのばね定数）なる関係がある。さらに、ばね装置１２の上方及び下方には、弁９の移動に伴ってその内部に形成された磁性流体（冷媒）３の流通孔９ａと連通するような、同じく磁性流体（冷媒）３の流通孔１２ｃ及び１２ｄが設けられている。
【００３８】
図４に示すように、リニア駆動アクチュエータ１１が磁性材料１方向に移動すると、ピストン１０によってばね装置１２中のばね部材１２ａ及び１２ｂが圧縮される。すると、ばね装置１２内の弁９は、ばね部材１２ａ及び１２ｂの伸縮力によってリニア駆動アクチュエータ１１（ピストン１０）の駆動と機械的に遅延した状態で駆動し、その流通孔９ａの、ばね装置１２の流通孔１２ｃ及び１２ｄとの連通が解除されるようになる。この結果、弁９は閉となる。
【００３９】
一方、磁気回路２の磁界により磁界感応型開閉弁８が開くようになるので、磁性材料１の長さ方向、すなわち高温端６と低温端５との間に圧力差（低温端５が高圧で高温端６が低圧）が生じる。したがって、磁性流体（冷媒）３は、上述した磁気回路２からの磁界に起因した磁気トルク（磁気吸引力）とに加え、前記圧力差の起因した圧力の影響によっても磁性材料１に接触するようにして右方向（高温端側）に移動するようになる。
【００４０】
次いで、図５に示すように、リニア駆動アクチュエータ１１が磁性材料１から遠ざかるようにして移動すると、ピストン１０によるばね装置１２内のばね部材１２ａ及び１２ｂの押圧が解除され、弁９はばね装置１２内の元の位置に戻るようになる。したがって、弁９が開となる。一方、磁気回路２の磁界が弱まり、磁界感応型開閉弁８が閉じることによって、高温端６と低温端５との間に圧力差（低温端５が低圧で高温端６が高圧）が生じる。したがって、磁性流体（冷媒）３は、上述した磁気トルク（磁気吸引力）とに加え、前記圧力差の起因した圧力の影響によっても磁性材料１に接触するようにして左方向（低温端側）に移動するようになる。
【００４１】
本実施形態では、弁９の開閉をばね部材１２ａ及び１２ｂを用いて実施しているので、磁性流体（冷媒）３に対して磁気トルク（磁気吸引力）と弁開閉による圧力とが前記遅延を伴って印加されるようになる。したがって、磁性流体（冷媒）３の移動をより効果的に行うことができる。実際、前記磁気トルク（磁気吸引力）が除去された後であっても、前記圧力差が残存しているため、磁性流体（冷媒）３は、この残存した圧力差で移動させることができる。また、前記圧力差が生じていない場合においても、前記磁気トルク（磁気吸引力）のみを先に印加させて前記磁性流体（冷媒）を移動させることができる。
【００４２】
図６は、本実施形態の磁気冷凍デバイスにおける低温端５と高温端６の温度変化の時間依存性を示す。図６より、所定の時間が経過すると、磁界ON-OFによる冷媒移動サイクルにより、低温端５及び高温端６との間で徐々に温度差が生じ、熱分離が生じていることが分かる。
【００４３】
なお、磁気回路２は、NdFeB磁石やSmCo磁石、フェライト磁石などを用いる。また、この磁気回路２は磁気ヨークを用いた効率の良い閉磁路回路を用いることが好ましい。さらに、磁石の磁化容易軸を磁束方向に周回させた構造の大きな磁界を生じさせるハルバッハ型磁気回路でも良い。
【００４４】
磁性材料１は、磁気熱量効果を発現する材料であり、上述したようにＧｄ（ガドリニウム）球を用いることができる。球サイズは、例えば０．１ｍｍ径から２ｍｍ径の範囲とすることができ、あるいは粒径（長径）が０.１ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、その８０wt%以上が、アスペクト比が２以下である粒子とすることができる。このようなサイズに設定することにより、冷媒移動に伴う圧力損失と熱交換効率の最適化を図ることができる。すなわち、磁性材料１の比表面積の増大による冷媒との熱交換によって熱交換率を増大させることができるとともに、粒子径の減少による冷媒の圧力損失を抑制して、上述のような最適化を図ることができる。
【００４５】
なお、磁性材料１の好ましい粒子径は０．３〜０．９ｍｍ程度とする。
【００４６】
また、磁性材料１は各種元素を混合したGd化合物、Ni2MnGa合金、GdGeSi化合物、LaFe13系化合物、LaFe13H系化合物などの磁性材料を用いても良い。Gd単体ではキュリー温度〜２９４Ｋであり、磁気エントロピー変化量が最大となるが、２９４Ｋから低温あるいは高温になると磁気エントロピー変化量が小さくなり、冷凍効率が小さくなる。そこで、異なるキュリー温度の磁性材料を用いたハイブリッド構造にすることで広い温度領域でも冷凍効率を大きくすることが出来る。したがって、本磁気冷凍技術では複数の磁性材料を用いることが好ましい。
【００４７】
なお、磁性流体（冷媒）３は、一般に酸化物磁性体が用いられており、例えば、マグネタイトやフェライトなど１０ｎｍ〜数１００ｎｍの粒子の表面を界面活性剤分子で覆い、オイル系、水系、有機溶剤系、フッ素系などにけん濁させたものである。また、感温性磁性流体は酸化物磁性体のなかでも、M-Zn系フェライトで磁化の温度変化が大きいものを用いる。例えば、Ni1-zZnｚFe２O４やMn1-ZZnｚFe２O４であれば、ｚを増やすことでキュリー温度を低温にすることが出来る。本磁気冷凍デバイスでは、動作温度域に合わせたキュリー温度に制御して用いることが好ましい。
【００４８】
また、磁性流体（冷媒）３は、好ましくは感温性磁性流体を用いる。この場合、磁界ON-OFFサイクルに伴う磁性体自身の温度変化により、感温性磁性流体の温度特性に起因した磁化の変化が生じ、発生する磁気トルクの大きさが変化する。ここで、磁気トルクの大きさが変化することで、磁界ON-OFF時の冷媒移動に遅延を生じさせることが出来る。
【００４９】
例えば、図２において、リニア駆動アクチュエータ１１に固定された磁気回路２が磁性材料１方向に移動すると磁性流体（冷媒）３が磁気回路２の磁界による磁気トルクを受けて移動する。同時に、磁性材料１が磁気熱量効果により発熱し、（磁性流体）冷媒３の温度が上昇し、感温性磁性流体の温度特性により磁気トルクが小さくなり、リニア駆動アクチュエータ１１の移動速度よりも遅くなる。この遅延時間は、高温部と低温部との熱分離を効率的に行い、効率の高い磁気冷凍デバイスを実現させることに必須のパラメータである。
【００５０】
同様に、図３において、リニア駆動アクチュエータ１１に固定された磁気回路２が磁性材料１から遠ざかる方向に移動すると、磁性材料１と磁気回路２が離れ磁界除去（磁界OFF）となり、磁性材料１が磁気熱量効果により冷熱し、磁性流体（冷媒）３の温度も低下する。  磁性流体（冷媒）３の感温性磁性流体が磁気回路２の磁界による磁気トルクを受けて移動すると同時に感温性磁性流体の温度特性により磁気トルクが大きくなり、移動速度が速くなる。しかしながら、磁界感応型開閉弁８が閉じているために、磁性流体（冷媒）３が移動せずに滞留しており、磁気回路２の磁界が磁界感応型開閉弁８の閾値を越えた時点で開き、磁性流体（冷媒）３が移動し、低温端５に冷熱を蓄熱させることが出来る。この様にして、磁界除去と冷媒移動とに遅延時間を設けることが出来る。
【００５１】
AMR方式の冷凍サイクルでは、磁界ON→冷媒移動→磁界OFF→冷媒移動のステップが基本サイクルであり、磁界ON（OFF）と冷媒移動とが遅延を伴わないで同時に行われると、温度差が生じることが困難になる。これに対して、上述のような感温性磁性流体を用いることにより、磁界ON（OFF）と冷媒移動との間に遅延を形成することができ、効率の高い磁気冷凍デバイスが実現出来る。
【００５２】
図７は、上述した感温性磁性流体の一例であるMn-Zn系感温性磁性流体の、磁化の温度依存性を示すグラフである。図７に示すように、このような感温性磁性流体では、温度上昇に伴って磁化が減少していることが分かる。したがって、この様な性質を利用することにより、上述のように、磁界ON-OFF時の冷媒移動に遅延を生じさせることが出来る。
【００５３】
なお、磁界感応型開閉弁８はバネと気密のためのシール部材、流路および磁性体から構成され、磁界により磁性体が引き寄せられる磁気力とバネ力を任意のバランスで流路の開閉を行うものである。また、リニア移動型開閉弁９は、バネと気密のためのシール部材、流路および押し棒から構成され、押し棒を移動することでバネを押すと同時に流路を開閉させるものである。バネ力および変形量を任意に設定することで、開閉のタイミングを遅らせることも出来る。
【００５４】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００５５】
例えば、上記実施形態では、磁性流体（冷媒）３の移動を磁気回路２からの磁気トルク（磁気吸引力）のみならず、開閉弁８、９を利用した圧力をも利用して実施しているが、前記圧力の利用は本発明において必須の構成要件ではなく、適宜削除することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍方法は、家庭用冷凍冷蔵庫および空調機、産業用冷凍冷蔵庫、大型冷凍冷蔵倉庫、液化ガス貯蔵・運搬用冷凍庫などの冷凍システムに適用しても良い。それぞれ、適用場所によって冷凍能力と制御温度域が異なるが、磁性材料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、使用温度域については、磁性材料の材質を制御することで特定の温度域に合わせることが可能である。また、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。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の磁気冷凍デバイスの一例に係わる基本構成図である。
【図２】上記磁気冷凍デバイスの駆動システム図（磁界印加時）を示す図である。
【図３】上記磁気冷凍デバイスの駆動システム図（磁界除去時）を示す図である。
【図４】図１に示す磁気冷凍デバイスの変形例を示す構成図である。
【図５】同じく、図１に示す磁気冷凍デバイスの変形例を示す構成図である。
【図６】上記磁気冷凍デバイスにおける低温端と高温端との温度変化の時間依存性を示すグラフである。
【図７】Mn-Zn系感温性磁性流体の、磁化の温度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５８】
１…磁性体（磁性材料）
２…磁気回路
３…磁性流体（冷媒）
４…セパレータ
５…低温端
６…高温端
７…容器
８…磁界感応型開閉弁
９…リニア移動型開閉弁
１０…ピストン
１１…リニア駆動アクチュエータ
１２…ばね装置
【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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