(57)【要約】【課題】冷熱の輸送において液体や気体などの流体の移動を必要としない小型でコンパクトな磁気冷凍システムと、このようなシステムの実現を可能にする磁気冷凍方法とを提供する。【解決方法】磁場の印加により温度が上昇し磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示す磁性材料Ａ、磁場の印加により温度が降下し磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示す磁性材料Ｂ、磁場の印加により高熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が低下する材料ａ、及び磁場の印加により低熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が向上する材料ｂを含み、これらの材料がＡａＢｂまたはＡｂＢａの順に積層してなるユニットを少なくとも１ユニット以上積層した磁気冷凍層ユニットに対して磁場印加手段より磁場を印加するとともに、その大きさを時間的に繰り返し変化させることによって、前記磁気冷凍層ユニットの一端から他端へ熱を輸送させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場の印加により温度が上昇し磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示す磁性材料Ａ、磁場の印加により温度が降下し磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示す磁性材料Ｂ、磁場の印加により高熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が低下する材料ａ、及び磁場の印加により低熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が向上する材料ｂを含み、これらの材料がＡａＢｂまたはＡｂＢａの順に積層してなるユニットを少なくとも１ユニット以上積層した磁気冷凍層ユニットと、
前記磁気冷凍層ユニットに磁場を印加する磁場印加手段と、
を具えることを特徴とする、磁気冷凍デバイス。
【請求項２】
前記磁場印加手段が、超電導磁石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】
前記磁場印加手段が、永久磁石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４】
前記永久磁石は、ハルバッハ型の磁石であることを特徴とする、請求項３に記載の磁気冷凍デバイス。
【請求項５】
前記永久磁石は、内側及び外側にそれぞれハルバッハ型磁石が設けられた２重ハルバッハ型の磁石であり、前記内側のハルバッハ型磁石の中空空間に前記磁気冷凍層ユニットを配置してなることを特徴とする、請求項４に記載の磁気冷凍デバイス。
【請求項６】
内側ハルバッハ型磁石及び外側ハルバッハ型磁石の少なくとも一方は、複数のハルバッハ型磁石であり、複数の内側ハルバッハ型磁石及び／又は複数の外側ハルバッハ型磁石は、の発生する磁場の相対向きの位相をずらすように設置し、前記内側ハルバッハ型磁石及び前記外側ハルバッハ磁石の相対位置を変化させる際の動力負荷を低減するように構成したことを特徴とする、請求項５に記載の磁気冷凍デバイス。
【請求項７】
前記複数の内側ハルバッハ型磁石及び／又は前記複数の外側ハルバッハ型磁石は、熱流方向に分割して積層してなることを特徴とする、請求項６に記載の磁気冷凍デバイス。
【請求項８】
前記内側のハルバッハ型磁石及び前記外側のハルバッハ型磁石を相対的に回転移動させるための回転機構を具えることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一に記載の磁気冷凍デバイス。
【請求項９】
前記回転機構は、前記内側のハルバッハ型磁石とその中空空間に配置した前記磁気冷凍層ユニットの相対位置を固定した状態で、前記外側のハルバッハ型磁石を回転させることを特徴とする、請求項８に記載の磁気冷凍デバイス。
【請求項１０】
磁気冷凍層ユニットと前記磁場印加手段との相対位置を変化させるための可動機構を具えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の磁気冷凍デバイス。
【請求項１１】
前記材料ａまたは材料ｂは、当該材料への印加磁場の大きさを変化させることで、金属状態から絶縁体状態へ相転移する物質を含むことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一に記載の磁気冷凍デバイス。
【請求項１２】
前記材料ａまたは材料ｂは、当該材料への印加磁場の大きさを変化させることで、強磁性で金属の状態から非磁性で絶縁体の状態へ相転移する物質を含むことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一に記載の磁気冷凍デバイス。
【請求項１３】
磁場の印加により温度が上昇し磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示す磁性材料Ａ、磁場の印加により温度が降下し磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示す磁性材料Ｂ、磁場の印加により高熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が低下する材料ａ、及び磁場の印加により低熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が向上する材料ｂを含み、これらの材料がＡａＢｂまたはＡｂＢａの順に積層してなるユニットを少なくとも１ユニット以上積層した磁気冷凍層ユニットに対して第１の磁場を印加する工程と、
前記磁気冷凍層ユニットに対して、前記第１の磁場よりも磁場強度の小さい第２の磁場を印加する工程とを具え、
前記磁気冷凍層ユニットの一端から他端へ熱を輸送させることを特徴とする、磁気冷凍方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍方法に関し、特に、熱輸送のための液体媒体や気体媒体を必要とせず、固体熱伝導により熱輸送を行うことで、駆動部を少なくできるようにした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】
ある種の磁性物質に対して断熱状態で印加磁場を変化させた際に、その温度が変化する現象は磁気熱量効果と呼ばれている。この現象に関し、物理的には、磁性物質内部の磁気スピンの自由度が磁場によって変化し、これに起因して磁気スピン系（磁気を担う電子系）のエントロピーが変化する。そして、このエントロピー変化に伴い、電子系と格子系との間で瞬時にエネルギーの移動が起こり、結果として磁性物質の温度が変化する。このような磁気熱量効果を利用して冷凍作業を行うものが磁気冷凍である。
【０００３】
現在、人間の日常生活に密接に関係する常温域の冷凍技術；例えば、冷蔵庫、冷凍庫、室内冷房などの大半では、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オゾン層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地球温暖化などの観点から環境への影響が懸念されている。
【０００４】
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。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、常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。
【０００５】
常温域を対象とした磁気冷凍において、有用な冷凍方式としてＡＭＲ方式（”Active Magnetic Regenerative Refrigeration”）が、米国のBarclayによって提案されている(USP 4,332,135)。この方法は、「室温などの高温域においては、熱擾乱によって格子系のエントロピーが磁気スピン系のエントロピーに対して相対的に大きくなるため、磁気熱量効果によって得られる磁性物質の温度変化が小さくなってしまう」という問題に鑑みて考案されたもので、このような温度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方法である。即ち、磁性物質に、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である。
【０００６】
このＡＭＲ方式では、磁気熱量効果による磁気冷凍作業と蓄熱効果を組み合わせて、磁気冷凍材料全体に温度勾配を有利に形成するために、磁気冷凍材料の熱伝達を制御することを特徴としている。具体的な方法としては、例えば、固体である磁気冷凍材料を小片に分割して小片間での直接的な熱伝達を抑制するように配置し、それぞれの小片の磁気熱量効果で生成された冷熱を、熱交換によって小片から熱輸送媒体（液体や気体）に移動し、熱輸送媒体を流動させることによって生成された冷熱を輸送する。
【０００７】
このとき、熱輸送媒体の流路を確保する必要があり、また、磁気冷凍材料と熱輸送媒体との間で十分な熱交換を行わせる必要があるため、磁気冷凍材料は、比表面積が大きく且つ熱輸送媒体の流路が確保できるような形状に加工する必要がある。実際の形状としては、材料を薄板に加工した後に蛇腹状に折り曲げてハニカム状の構造にしたり、メッシュ状に加工したものを積層したり、あるいは、球状の粒子に加工して容器内に充填することなどが考えられる。
【０００８】
実際に、米国のZimm, Gschneidner, Pecharsky らは、超電導磁石を用いた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ている（１９９７年）。ここでは、磁気冷凍材料としてＧｄ（ガドリニウム）を使用し、これを細かい(０.３ｍｍ程度)球形状に加工して磁気冷凍容器に充填して用いている。
【０００９】
磁気冷凍材料であるＧｄの球状粒子は互いに点接触しており、球状粒子間での熱伝達は非常に低く抑えられている。一方、磁気冷凍容器の両端には熱輸送冷媒の導入口と導出口が接続され、熱輸送冷媒が導出入できる構造となっており、熱輸送媒体として水または水とエタノールの混合溶液を使用している。また、磁気冷凍容器の外部にはコイル状の超電導磁石が設けられている。磁気冷凍容器は可動式で、超伝導コイルのボア空間内からコイル軸方向に位置を変位させることで、磁気冷凍容器の内部に収納された磁気冷凍材料への印加磁場の大きさを変化させることが出来る構造となっている。
【００１０】
ここでは、ＡＭＲ方式の冷凍は次のようなステップで行われている。(I)磁気冷凍容器を超電導磁石のボア空間に移動し、磁気冷凍材料に磁場を印加する。(II)磁気冷凍容器の一端から他端に向けて熱輸送冷媒を移動させ(流し)て熱を輸送する。(III)磁気冷凍容器を超電導磁石のボア空間から外部へ移動し、磁気冷凍材料に印加した磁場をとり除く。(IV)磁気冷凍容器の一端から他端に向けて（ステップ(II)での冷媒移動とは逆方向）熱輸送冷媒を移動させ(流し)て熱を輸送する。
【００１１】
(I)〜(IV)の熱サイクルを繰り返し行うと、磁気冷凍容器内部では、磁場の印加に伴って磁気冷凍材料粒子の温度が上昇し、次に、粒子と熱輸送冷媒との間で熱交換し、熱輸送冷媒が順方向に移動して、熱輸送冷媒と粒子との間で熱交換する。次に、磁場の除去に伴って磁気冷凍材料粒子の温度が降下し、続いて、粒子と熱輸送冷媒との間で熱交換し、熱輸送冷媒が逆方向移動して、熱輸送冷媒と粒子との間で熱交換する。
【００１２】
即ち、磁気冷凍材料である球状粒子間での熱の移動は熱輸送冷媒を介した間接的な熱伝導が支配的であり、球状粒子間の接触による直接的な熱伝導は低く抑えられている。さらに、それぞれの球状粒子は高い蓄熱効果により熱を蓄えるため、熱サイクルを繰り返し行うと、隣接した球状粒子の温度は一致しなくなり、熱輸送媒体による熱流方向に温度勾配が生成される。従って、定常状態では、磁気冷凍容器の両端に大きな温度差を生じることができるようになる。
【００１３】
Zimmらの例では、室温域で、超電導磁石を使用して磁場を０から５Ｔ（テスラ）へ変化させることによって、磁気冷凍作業室の両端で冷凍温度差ΔＴ＝約３０℃の冷凍に成功している。また、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・膨張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。
【特許文献１】USP 4,332,135
【特許文献２】USP5,743,095
【非特許文献１】C. Zimm, et al., Advances in Cryogenic Engineering, Vol.43 (1998), p.1759
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
＜磁場発生手段のサイズ・簡便性＞
しかしながら、上述の例では、磁気冷凍作業物質に５Ｔ程度の磁場を印加するために超電導磁石が使用されている。超電導磁石を使用する場合には、現状では、１０Ｋ程度の極低温動作環境が必要となるため、液体ヘリウムなどの寒剤を利用するか、極低温生成用冷凍機などを利用するので、磁気冷凍システムが非常に大型化するという問題がある。
【００１５】
また、超電導磁石とは別の磁場を発生する手段として電磁石がある。電磁石を用いる場合においても、１Ｔ程度の大きな磁場を生成するためには、大電流の投入が必要となり、ジュール熱による発熱を抑制するための水冷却が必要になるなど、簡便性に欠け、運転コストが嵩み、超電導磁石の場合と同様に大型化するなどの問題がある。
【００１６】
＜ＡＭＲ冷媒利用の課題＞
一方、上述の例では、ＡＭＲ方式を具現化するために、磁気冷凍材料を球状粒子に加工して容器内に充填して用い、熱輸送媒体として水とエタノールの混合溶液を用いている。即ち、冷熱の輸送は、固体間での直接熱伝導によらず、固体と流体(ここでは液体)間での熱交換の後、流体移動により輸送されている。従って、磁気冷凍作業を行う磁気冷凍材料“固体”の他に、液体や気体などの流体が必要であり、さらに、これらの流体を移動させるための駆動機構が必要となる。
【００１７】
また、対象温度が常温域の場合では、固体の熱容量を勘案すると熱量の観点からは、熱輸送媒体としては液体が有利であり上述の例でも液体が利用されている。しかしながら、熱輸送媒体としては液体を用いる湿式の場合では、乾式の方式と比べて扱いや設計上不利な点がある。
【００１８】
＜ＡＭＲ冷媒利用の課題＞
更に、熱輸送媒体により熱輸送を行う場合、磁気冷凍材料は、熱輸送媒体であるガスまたは液体の流れによる圧力衝撃に曝される。仮に、磁気冷凍材料が脆弱であった場合には、圧力衝撃を繰り返し受けることによってクラックや割れが生ずる。このようなクラックや割れに伴い微粉が発生すると、その微粉が熱輸送媒体の流路を塞いで冷凍システムの能力を低下させる。
【００１９】
特に、磁気冷凍容器の容器内に球状の粒子を充填して使用する場合には、粒子相互の衝突や粒子と容器内壁との衝突などによって粒子から微粉が発生すると、粒子間の空隙を安定して保つことができず、その結果、熱輸送媒体の圧力損失を増大させ、冷凍システムの冷凍能力の低下を招く。従って、たとえ磁気熱量効果の大きな材料であっても、繰り返し衝撃に対してある程度以上の機械的強度を具備していない場合には、磁気冷凍材料として使うことが難しいという問題がある。
【００２０】
＜磁場の有効利用の課題＞
また、上述した磁場発生手段の大型化という課題を克服するためには、永久磁石を用いることが好適である。しかしながら、永久磁石では、超電導磁石に比べて発生磁場の大きさが小さくなる。また、ＡＭＲ方式を想定して磁気冷凍容器の容器内に収納された磁気冷凍材料に永久磁石を用いて磁場を印加する場合では、超電導磁石や電磁石を用いた場合に比べて反磁場の影響が大きくなるという問題がある。
【００２１】
即ち、ＡＭＲ方式を想定した場合では、磁気冷凍材料を収納する磁気冷凍容器の形状は、熱流方向が長手となるような円柱や角柱などの柱状形状であることが熱設計上好ましい。これは先に説明したように、ＡＭＲ方式では、熱流方向の熱伝導を制御して材料が有する蓄熱効果を利用して熱流方向に温度勾配を積極的に生成して、磁気冷凍容器の両端に温度差を生じさせるためである。
【００２２】
一般に、磁性体に外部から磁場を印加する場合、反磁場の影響は磁性体の幾何学的な形状に強く依存する。磁性体の形状が柱状形状である場合には、長手方向へ磁場を印加する場合が最も反磁場が小さく、短方向へ磁場を印加する場合に最も反磁場が大きい。超電導磁石や電磁石を用いた場合では、磁場空間となるコイル中空の柱状空間での発生磁場の向きは軸方向であり、この中空柱状空間に柱状形状の磁気冷凍容器を設けた場合に、柱状の高さと径のアスペクト比は自由に設計可能であるため、アスペクト比を大きくすることで、磁気冷凍材料が収納された容器の長手方向に磁場を印加することができ、反磁場の影響を受けにくい構成とすることが可能である。
【００２３】
一方、永久磁石を用いる場合、磁石構造としては、対向型で磁気ヨークを備えたコの字型の構造やハルバッハ型の構造が考えられる。コの字型の構造では、磁石の体積と空間ギャップの体積との比が磁場強度に大きく関係し、高い磁場を得ようとするとギャップ距離を小さくする必要がある。このようなコの字型の構造の磁石を用いる場合では、磁場空間となるギャップ空間に柱状形状の磁気冷凍容器を配置しようとすると、磁場は磁気冷凍材料が収納された容器の短方向へ印加する構成となってしまう。
【００２４】
ハルバッハ型の構造では、磁場空間は中空の柱状空間で、発生磁場の向きは軸に垂直な方向である。この中空柱状空間に、空間効率よく柱状形状の磁気冷凍容器を配置しようとすると、磁気冷凍材料が収納された容器の短手方向に磁場を印加する構成となってしまう。このように、ハルバッハ型磁石の場合でも、磁気冷凍材料が収納された容器の短手方向に磁場が印加される構成となる。このため、ＡＭＲ方式で、永久磁石を磁場発生手段に用いようとする場合には、永久磁石を用いることによる磁場の大きさの低下に加えて、磁気冷凍材料が収納された容器の設計上の制約に由来する幾何学的形状の不利によって反磁場の影響が大きくなり、柱状形状を有する磁気冷凍容器の容器内に収納された磁気冷凍材料に印加される実効的な磁場の大きさは著しく低下してしまうという問題がある。
【００２５】
本発明は、以上のような常温域における磁気冷凍システムの問題点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、冷熱の輸送において液体や気体などの流体の移動を必要としない小型でコンパクトな磁気冷凍システムと、このようなシステムの実現を可能にする磁気冷凍方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上記目的を達成すべく、本発明の一態様においては、
磁場の印加により温度が上昇し磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示す磁性材料Ａ、磁場の印加により温度が降下し磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示す磁性材料Ｂ、磁場の印加により高熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が低下する材料ａ、及び磁場の印加により低熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が向上する材料ｂを含み、これらの材料がＡａＢｂまたはＡｂＢａの順に積層してなるユニットを少なくとも１ユニット以上積層した磁気冷凍層ユニットと、
前記磁気冷凍層ユニットに磁場を印加する磁場印加手段と、
を具えることを特徴とする、磁気冷凍デバイスに関する。
【００２７】
また、本発明の一態様においては、
磁場の印加により温度が上昇し磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示す磁性材料Ａ、磁場の印加により温度が降下し磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示す磁性材料Ｂ、磁場の印加により高熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が低下する材料ａ、及び磁場の印加により低熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が向上する材料ｂを含み、これらの材料がＡａＢｂまたはＡｂＢａの順に積層してなるユニットを少なくとも１ユニット以上積層した磁気冷凍層ユニットに対して第１の磁場を印加する工程と、
前記磁気冷凍層ユニットに対して、前記第１の磁場よりも磁場強度の小さい第２の磁場を印加する工程とを具え、
前記磁気冷凍層ユニットの一端から他端へ熱を輸送させることを特徴とする、磁気冷凍方法に関する。
【００２８】
本発明によれば、上述した材料Ａ、Ｂ、ａ及びｂからなる積層ユニットを少なくとも一ユニット以上積層して磁気冷凍層ユニットを準備するとともに、これら磁気冷凍層ユニットに対して磁場を印加及び除去した際の、各材料の交互に繰り返される発熱及び断熱を利用して、前記磁気冷凍層ユニットの一端から他端へ熱輸送を行うようにしている。したがって、本発明によれば、熱輸送を上記磁気冷凍層ユニットにおける材料を介した固体輸送を行うようにしているので、従来の冷媒を使用したＡＭＲ方式の磁気冷凍の場合に見られる磁気冷凍材料への冷媒流の圧力衝撃による磁気冷凍材料のクラックや割れなどの問題を生じることがない。
【００２９】
「永久磁石を利用した」ＡＭＲ方式では、磁気冷凍材料と永久磁石の配置において、空間利用効率を高める観点から、磁気冷凍材料への磁場の印加方向が熱流方向に垂直になるように設計される。この場合、磁気冷凍材料が充填された磁気冷凍作業室の長手方向が熱流方向に一致するため、容器内に単純に磁性材料を充填した場合では、磁性材料の短手方向に磁場を印加することとなり反磁場の影響が大きくなり、磁気冷凍材料へ磁場を効率的に印加することが出来ないという課題がある。これに対して、本発明の磁気冷凍層ユニットでは、磁気冷凍材料を熱流方向に分割して積層することを特徴とするため、磁場の印加方向を分割した個々の磁性材料層の長手方向とすることができ、反磁場の影響を小さく抑えることが出来る。
【００３０】
なお、本発明の一態様においては、前記磁場印加手段を超電導磁石とすることができる。また、前記磁場印加手段を永久磁石とすることができる。さらに、前記永久磁石を、ハルバッハ型の磁石とすることができる。
【００３１】
このように、本発明においては、上述したように永久磁石を用いることができるが、それとともに超電導磁石や電磁石をも用いることができる。したがって、本発明を実施するために使用できる磁石の自由度が増大する。また、これらいずれの磁石を用いた場合においても、上述した作用効果を得ることができる。
【００３２】
また、前記永久磁石は、内側及び外側にそれぞれハルバッハ型磁石が設けられた２重ハルバッハ型の磁石とし、前記内側のハルバッハ型磁石の中空空間に前記磁気冷凍層ユニットを配置することができる。この場合は、内側及び外側のハルバッハ型磁石を相対的に回転移動させるのみで、前記磁気冷凍層ユニットに対して強度の異なる第１の磁場及び第２の磁場を印加することができるようになる。すなわち、簡易な構成かつ簡易な操作によって、前記磁気冷凍層ユニット内に強度の異なる第１の磁場及び第２の磁場を印加することができるようになり、前記磁気冷凍層ユニット内で熱輸送を生ぜしめることができる。結果として、目的とする磁気冷凍を簡易に実施することができる。
【００３３】
なお、この場合において、好ましくは内側のハルバッハ型磁石と、その中空空間に配置した磁気冷凍層ユニットとの相対位置を固定した状態で、外側のハルバッハ型の磁石を回転させるようにする。これによって、上述した相対的な回転運動を簡易に生ぜしめることができるとともに、内側及び外側のハルバッハ型磁石間に発生する摩擦熱を低減することができ、上述した熱輸送、すなわち磁気冷凍を簡易かつ良好に行うことができるようになる。
【００３４】
また、本発明の一例においては、内側ハルバッハ型磁石及び外側ハルバッハ型磁石の少なくとも一方は、複数のハルバッハ型磁石であり、前記複数の内側ハルバッハ型磁石及び／又は複数の外側ハルバッハ型磁石の発生する磁場の相対向きの位相をずらすように設置する。例えば、前記複数の内側ハルバッハ型磁石及び／又は前記複数の外側ハルバッハ型磁石を、熱流方向に分割して積層する。これによって、前記複数の内側ハルバッハ型磁石及び／又は前記複数の外側ハルバッハ型磁石との相対回転運動から生成する磁気トルクを相互にキャンセルすることができ、これらを相対的に、好ましくは外側のハルバッハ型磁石を内側のハルバッハ型磁石に対して回転させる際の動力負荷を低減することができる。
【００３５】
また、磁場印加手段を上述した２重構造のハルバッハ型磁石から構成しない場合は、所定の可動機構により、前記磁気冷凍層ユニットと前記磁場印加手段との相対位置を変化させることによって、上述した第１の磁場及び第２の磁場を前記磁気冷凍層ユニットに印加することができ、熱輸送及び磁気冷凍を実施することができる。
【発明の効果】
【００３６】
以上説明したように、本発明によれば、冷熱の輸送において液体や気体などの流体の移動を必要としない小型でコンパクトな磁気冷凍システムと、このようなシステムの実現を可能にする磁気冷凍方法と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】
【００３７】
以下、本発明のその他の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。
【００３８】
図１は、本発明の磁気冷凍デバイスにおける磁気冷凍層ユニットの一例を示す模式図であり、図２及び３は、図１に示す磁気冷凍層ユニットを用いた磁気冷凍デバイスの一例を示す構成図であり、図４は、本例における磁気冷凍層ユニット内の熱輸送を説明するための図である。なお、図２は、本例の磁気冷凍デバイスの斜視図である。
【００３９】
また、本明細書の全体を通じて、同一及び類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いて表している。
【００４０】
図１に示すように、本例における磁気冷凍デバイスの磁気冷凍層ユニット３は、磁場の印加により温度が上昇し磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示す磁性材料Ａと、磁場の印加により温度が降下し磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示す磁性材料Ｂと、磁場の印加により高熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が低下する材料ａと、磁場の印加により低熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が向上する材料ｂとを用いて、ＡａＢｂの順に積層してなるユニット３Ａを少なくとも１ユニット以上積層して構成されている。
【００４１】
なお、図１や２においては、ユニット３Ａを６個含むような構成を呈しているが、ユニット数は必要に応じて任意に設定することができる。また、以下に示すように、熱流はＡａＢｂの積層方向に沿って流れるので、この積層方向は熱流方向と一致する。
【００４２】
図２において、参照数字３は図１に模式的に示した構成を有する磁気冷凍層ユニットである。また、参照数字１８はコの字型の永久磁石で、１６および１７はそれぞれ前記永久磁石の磁極及び磁気ヨークである。なお、磁気冷凍層ユニット３は、必要に応じて図示しない容器内に入れるようにすることができる。
【００４３】
磁気冷凍層ユニット３は、コの字型の永久磁石１８に近接して設けられており、図示しない可動機構によって磁気冷凍層ユニット３またはコの字型の永久磁石１８を変位させ、両者の相対位置を変化させることによって、コの字型の永久磁石１８のギャップ空間中に磁気冷凍層ユニット３を配置したり、ギャップ空間から遠ざけたりすることができる構成となっている。
【００４４】
図３（ａ）では、磁気冷凍層ユニット３を矢印２１ａ方向に相対移動させた状態を示すものであり、これによって磁気冷凍層ユニット３及びコの字型の永久磁石１８間の相対位置を変化させるようにしている。図３（ｂ）では、磁気冷凍層ユニット３を矢印２１ｂ方向に相対移動させた状態を示すものであり、これによって磁気冷凍層ユニット３及びコの字型の永久磁石１８間の相対位置を変化させるようにしている。
【００４５】
なお、磁気冷凍層ユニット３とコの字型の永久磁石１８との相対位置を変化させる際に、両者の間に摩擦が生じないように空隙が設けられ、両者間での熱のやり取りがないように充分に断熱が図られている。
【００４６】
図２、図３に示すように、対向する１組の磁極１６が磁気ヨーク１７を介してコの字型の磁気回路を構成し、２０に点線で示したような磁路を形成し、磁極１６のギャップ空間に磁場を発生するようにしている。
【００４７】
次に、上述した磁気冷凍デバイスを用いた熱輸送について説明する。磁気冷凍層ユニット３が図示しない可動機構によって、コの字型の永久磁石１８のギャップ空間中に配置されたとき、磁気冷凍層ユニット３に磁場が印加されて磁性材料Ａは温度が上昇し、磁性材料Ｂは温度が降下する。このとき、材料ａは高熱伝導、材料ｂは低熱伝導の特性であることから、磁気冷凍層ユニット３の内部では、磁性材料Ａから材料ａを介して磁性材料Ｂに熱が流れる（図４(ａ)に矢印８で図示）。
【００４８】
一方、磁気冷凍層ユニット３がコの字型の永久磁石１８のギャップ空間から遠ざかった位置に配置されたとき、磁気冷凍層ユニット３に印加された磁場が取り除かれて、磁性材料Ａは温度が降下し、磁性材料Ｂは温度が上昇する。このとき、材料ａは低熱伝導、材料ｂは高熱伝導の特性であることから、磁気冷凍層ユニット３の内部では、磁性材料Ｂから材料ｂを介して磁性材料Ａに熱が流れる（図４(ｂ)に矢印８で図示）。
【００４９】
磁気冷凍層ユニット３とコの字型の永久磁石１８の相対位置を変化させる際、永久磁石１８のギャップ空間中に磁気冷凍層ユニット３を配置することと、ギャップ空間から遠ざけることを繰り返し行うことが出来れば、両者の変位方向は図３の２１ａまたは２１ｂの矢印で例示したようなどのような方向であってもよい。
【００５０】
また、図５は、上記具体例に対する変形例である。本例では、コの字型の永久磁石１８が固定された回転盤１９を回転させる(２１ｃの矢印)ことによって相対位置を変化させるようにしている。このような方法で、磁気冷凍層ユニット３と永久磁石の相対位置を変化させことによって、磁気冷凍層ユニット３への磁場の励磁・減磁を繰り返し行うと、熱は一方向へ輸送される。これによって、図４に示すように、ＡａＢｂの積層方向に向けて熱輸送がなされる。なお、本例では、磁気冷凍層ユニット３は図示しない治具によって固定されている。
【００５１】
図６は、図５に示す具体例に対する変形例である。本例においては、磁気冷凍層ユニット３は、各材料が図１に示すような略垂直方向に積層されたものではなく、円形状に配置されて構成されている。この場合も、熱流は前記円形に沿って流れるようになるので、各材料は熱流に沿って積層されていることになる。図６において、９は熱伝導部材である。図６に示したＡａＢｂ順の積層ユニットの場合では、円形状の磁気冷凍層ユニット３を上下方向から挟み込むようにしてコの字型永久磁石１８が矢印２１ｃに示すように回転するようにして構成されている。したがって、本例では、図６における熱伝導部材９のＬ側から、磁気冷凍層ユニット３を時計回りに回って、超電導部材９のＨ側に向けて熱が輸送されるようになる。
【００５２】
なお、熱伝導部材９のＬ側面に磁気冷凍デバイスとは別のデバイスの被冷却部分を接続し、他方、熱伝導部材９のＨ側面に放熱機構部分を接続することで冷凍が達成できる。このような磁気冷凍層ユニットは単独で用いても構わないが、用途に応じて複数のユニットを直列や並列に組み合わせて用いることも好ましい。並列では冷却のパワー(吸熱量)を増加させることに効果があり、直列では被冷却部分と放熱部分との間の温度幅を大きくすることに効果がある。
【００５３】
図７〜９は、本発明の磁気冷凍層ユニットの他の例を説明するための図である。図７は、本例に用いる永久磁石（ハルバッハ型磁石）の基本構成を示すものであり、図８は、本例における磁気冷凍デバイスの構成を概略的に示す構成図であり、図９は、本例における熱輸送を説明するための図である。
【００５４】
上記の例では、磁気冷凍層ユニットに磁場を印加する手段としてコの字型の磁気回路構成を有する永久磁石を用いているが、本例では、前記コの字型の永久磁石に代えて、ハルバッハ型の磁石を用いている。図７(ａ)に示すように、ハルバッハ型の磁石は、中空構造を持ち、それぞれの部位の磁石の磁気異方性の向きを制御(例えば矢印５のように)して配置することにより、磁力線７が中央の中空空間に密集して高い磁場強度が得られる構造となっている。
【００５５】
なお、ハルバッハ型の磁石は、構成部位の磁気異方性の向きを制御することで、中空空間に密集した高い磁場を発生させる構造であれば如何なる構造でも良く、図７(ａ)に示すようなドーナツ型の他に、図７(ｂ)に示したような多角形であってもよい。
【００５６】
図８は、本発明の別の実施の形態に係る磁気冷凍デバイスの説明用構成図である。図８（ａ）は、磁気冷凍デバイスの構成を概略的に示す断面図であり、図８(ｂ)は、前記磁気冷凍デバイスの上平面図である。図８において、参照数字３は図１に模式的に示した構成を有する磁気冷凍層ユニットと同一の構成を有する。また、参照数字１および２はハルバッハ型の磁石を示しており、同軸上に内側のハルバッハ型磁石１を配置し、この外方に外側のハルバッハ型磁石２を配置して、２重のハルバッハ型磁石を構成している。
【００５７】
磁気冷凍層ユニット３は、上記２重のハルバッハ型磁石の内側のハルバッハ型磁石１の中空の空間に配置されている。また、特に図示していないが、本例の磁気冷凍デバイスは、内側のハルバッハ型磁石１及び磁気冷凍層ユニット３を固定した状態で外側のハルバッハ型磁石２を同軸を中心として回転させることができる回転機構（図示しない）を具えている。このような回転機構としては、例えばアウターモーターに外側ハルバッハ型磁石を設置することで実現できる。また、外側ハルバッハ型磁石２の外側に歯車を取り付けて、ギア式で回転させることもできる。
【００５８】
なお、２重のハルバッハ型磁石において、外側ハルバッハ型磁石２を回転させる際に、内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２との間に摩擦が生じないように、これら磁石は空隙を介して設けられている。また、磁気冷凍層ユニット３は、内側ハルバッハ型磁石１との間で熱のやり取りがないように充分に断熱が図られている。具体的には、磁気冷凍層ユニット３と内側ハルバッハ型磁石１とが接触しないように空隙を設けても良いし、図示しない断熱部材を介するようにすることもできる。
【００５９】
次に、図８に示す磁気冷凍デバイスを用いた熱輸送に関して、図９を参照して説明する。図９の(ａ)及び (ｂ)において、参照数字４および５は、それぞれ、内側ハルバッハ型磁石１および外側ハルバッハ型磁石２の各部位における磁気異方性の方向を示している。図９(ａ)では、内側ハルバッハ型磁石１が中空部に生成する磁場６の向きと外側ハルバッハ型磁石２が中空部に生成する磁場７の向きが一致しており、内側のハルバッハ型磁石１の中空の空間には高い磁場が生成されている。
【００６０】
図９(ｂ)では、内側ハルバッハ型磁石１の生成する磁場６の向きと外側ハルバッハ型磁石２の生成する磁場７の向きが反対であり、内側磁石と外側磁石の生成する磁場が互いの打ち消しあうため、内側のハルバッハ型磁石１の中空の空間では磁場が弱くなる。このとき、磁場の大きさは、両者がちょうどキャンセルするように設計することで、ほぼ零にすることもできる。
【００６１】
磁気冷凍層ユニット３は、２重のハルバッハ型磁石の内側のハルバッハ型磁石１の中空の空間に配置されており、図９(ａ)の状態では、内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２の生成する磁場の向きが一致して、高い磁場が磁気冷凍層ユニット３に印加されている。一方、図９(ｂ)の状態では、内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２の生成する磁場の向きが反対で互いにキャンセルしており、磁気冷凍層ユニット３に印加された磁場はほぼ零の状態となっている。
【００６２】
内側ハルバッハ型磁石１を静止させたまま外側ハルバッハ型磁石２を回転させると、内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２の生成する磁場の相対向きは回転に同期して変化するため、磁気冷凍層ユニット３は高い磁場が印加された状態からほぼ磁場零の状態まで回転に同期して印加磁場の状態が変化する。
【００６３】
回転により内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２の生成する磁場の向きが一致（図９(ａ)参照）して、高い磁場が磁気冷凍層ユニット３に印加されると、磁性材料Ａは温度が上昇し、磁性材料Ｂは温度が降下する。このとき、材料ａは高熱伝導、材料ｂは低熱伝導の特性であることから、磁気冷凍層ユニット３の内部では、磁性材料Ａから材料ａを介して磁性材料Ｂに熱が流れる（図９(ａ)に矢印８で図示）。さらに、回転により内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２の生成する磁場の向きが反対（図９(ｂ)参照）となり、磁気冷凍層ユニット３に印加された磁場が減じられると、磁性材料Ａは温度が降下し、磁性材料Ｂは温度が上昇する。このとき、材料ａは低熱伝導、材料ｂは高熱伝導の特性であることから、磁気冷凍層ユニット３の内部では、磁性材料Ｂから材料ｂを介して磁性材料Ａに熱が流れる（図９(ｂ)に矢印８で図示）。
【００６４】
このように、外側ハルバッハ型磁石２を回転させることによって磁気冷凍層ユニット３への磁場の励磁・減磁を繰り返し行うと、熱は一方向へ輸送される。図８に例示のＡａＢｂ順の積層ユニットの場合では、図９に示すように、底面から上面に向かって熱が輸送される。この場合、磁気冷凍層ユニット３の底面に別のデバイスの被冷却部分を熱伝導部材を介して接続し、他方、磁気冷凍層ユニット３の上面を熱伝導部材を介して放熱機構部分に接続して用いる。
【００６５】
本例の磁気冷凍デバイスは乾式であるため、電子デバイスにおいて熱の集中部位から熱を汲み出す手段としても有効である。また、本例の磁気冷凍デバイスでは、駆動部が１箇所で且つ回転によるので、モータを利用すれば容易に動作させることが可能であり、簡便で設計上の自由度も高い。
【００６６】
図１０は、図８に関する磁気冷凍デバイスに対する可動機構を含んだ構成を概略的に示す図である。図１０（ａ）は、本例における磁気冷凍デバイス及び可動機構を含む構成を示す断面図であり、図１０(ｂ)は、前記磁気冷凍デバイス及び前記可動機構を含む構成の要部を示す上平面図である。
【００６７】
図１０において、参照数字１は内側ハルバッハ型磁石、参照数字２は外側のハルバッハ型磁石、及び参照数字３は磁気冷凍層ユニットを示す。内側ハルバッハ型磁石１は任意の盤面上に固定されており、外側ハルバッハ型磁石２は任意の盤面に、稼動可能な（例えばベアリング１４などを介した）機構を介して設置されている。また、外側ハルバッハ型磁石２の外側には歯車１１が接続されている。歯車１１と噛合うように歯車１３が設けられ、歯車１３は回転機構１２（モータなど）に接続されている。また、参照数字１０は被冷却部分、参照数字１５は放熱部分であり、何れも熱伝導部材９および９’を介して磁気冷凍層ユニット３と接続されている。
【００６８】
回転機構１２により歯車１３を回転させると、歯車１１を介して、外側ハルバッハ型磁石２が回転する。図９に関連して説明したように、外側ハルバッハ型磁石２を連続的に回転させると磁気冷凍の熱サイクル動作により磁気冷凍層ユニット３は一方向に熱を移送し、被冷却部分１０から熱伝導部材９を介して熱を汲み上げて（図１０に矢印８で図示）、熱伝導部材９’を介して放熱部分１５に熱を移動させる（図１０に矢印８で図示）ことができ、被冷却部分１０は冷却される。
【００６９】
ここで、熱伝導部材９および９’は、熱伝導特性が良好で非磁性の材質であればよく、非磁性の金属やセラミックスまたは熱伝導特性を良好にする工夫をした樹脂でも構わない。放熱部分１５は、熱伝導特性が良好な材質で、比表面積が大きい形状とすることが好ましい。また、放熱部分１５においても磁場の影響を考慮すると非磁性の材質であることが好ましい。具体的には、ＣｕやＡｌまたはこれらをベースとした熱伝導特性の良好な材質が好ましく、形状は板であっても良いし、フィン構造やハニカム構造など比表面積を大きくするための立体的な形状としても良い。
【００７０】
図１１及び１２は、本発明の磁気冷凍デバイスのその他の例を示す構成図である。図１１は、前記磁気冷凍デバイスの構成図であり、図１２は、前記磁気冷凍デバイスにおける熱輸送を説明するための図である。本例においては、磁気冷凍層ユニットに磁場を印加する手段として、上述した永久磁石に代えて超電導ソレノイドコイル(超電導磁石)によって磁場を発生する場合について説明する。
【００７１】
本例におけるように、磁場を印加する手段として超電導磁石を用いる場合では、磁気冷凍層ユニットを超電導コイルの中空空間に配置することで磁場を印加し、磁気冷凍層ユニットを超電導コイルの中空空間から遠ざけることで磁場を取除く。具体的には、図１１(ａ)に示したように、磁気冷凍層ユニット３の層に対して磁場の方向２４が垂直である場合には、反磁場の影響を大きく受けるため、このような構成は好ましくない。一方、図１１(ｂ)に示したように、磁気冷凍層ユニット３の層に対して磁場の方向２４が略平行である場合には、反磁場の影響は非常に小さくなるため、このような構成とすることが好ましい。
【００７２】
なお、図１１(ｂ)に示した磁気冷凍層ユニットの構成を立体的に示したものを図１１(ｃ)に示した。なお、本例では、磁気冷凍層ユニットを３段の構成としているが、それ以外の段数、例えば４段以上とすることもできるし、１段あるいは２段とすることもできる。
【００７３】
次に、図１２に関連させて、磁気冷凍デバイスの熱輸送について説明する。図１２(ａ)に示したように、磁気冷凍層ユニット３を超電導ソレノイドコイル(超電導磁石)２２の中空空間に挿入・配置すると、磁気冷凍層ユニット３に磁場が印加されて磁性材料Ａは温度が上昇し、磁性材料Ｂは温度が降下する。このとき、材料ａは高熱伝導、材料ｂは低熱伝導の特性であることから、磁気冷凍層ユニット３の内部では、磁性材料Ａから材料ａを介して磁性材料Ｂに熱が流れる（図１２(ａ)に矢印８で図示）。
【００７４】
また、図１２(ｂ)に示したように、磁気冷凍層ユニット３が超電導ソレノイドコイル(超電導磁石)２２の中空空間から遠ざかった位置に配置されたとき、磁気冷凍層ユニット３に印加された磁場が取り除かれて、磁性材料Ａは温度が降下し、磁性材料Ｂは温度が上昇する。このとき、材料ａは低熱伝導、材料ｂは高熱伝導の特性であることから、磁気冷凍層ユニット３の内部では、磁性材料Ｂから材料ｂを介して磁性材料Ａに熱が流れる（図１２(ｂ)に矢印８で図示）。
【００７５】
このような方法で、磁気冷凍層ユニット３と超電導磁石２２との相対位置を変化させことにより、磁気冷凍層ユニット３への磁場の励磁・減磁を繰り返し行うと、熱は一方向へ輸送される。図１２に例示のＡａＢｂ順の積層ユニットの場合では、図１２に図示するＬ側からＨ側に向かって熱が輸送される。このとき、磁気冷凍層ユニット３のＬ側面に別のデバイスの被冷却部分を熱伝導部材を介して接続し、他方、磁気冷凍層ユニット３のＨ側面を熱伝導部材を介して放熱機構部分に接続することで冷凍が達成できる。
【００７６】
図１３〜１５は、本発明の磁気冷凍デバイスのさらに他の例を示す図である。上記例においては、磁気冷凍層ユニットと磁石(永久磁石、超電導磁石どちらの場合でもよい)との相対位置を変化させることによって、磁気冷凍層ユニットへの磁場の印加・除去のサイクルを繰り返し行なっている。一方、磁気冷凍層ユニットを構成する磁性材料Ａや磁性材料Ｂは、上述したように、強磁性や反強磁性などを示すもので大きな磁気モーメントを有している。このような大きな磁気モーメントを持つ磁性材料は、磁石が生成する磁場空間に入ったり出たりする際に、磁性材料と磁石の間に大きな磁気的引力や斥力が働く。このような磁気トルクに抗して両者の相対位置を変化させるためには、非常に大きな力が必要となる。
【００７７】
このような課題を解決するためには、本例に示すように、磁気冷凍層ユニットと磁石の組とを複数用いて、熱サイクルの位相をずらしてそれぞれの磁気トルクが相互にキャンセルするような配置に構成することで、全体として磁気冷凍の熱サイクルを運転するための動力負荷を低減させることができる。
【００７８】
図１３及び１４に示す例では、外側ハルバッハ型磁石２はその中空空間に一定の向きの磁場を生成しているのに対して、内側ハルバッハ型磁石１は、それぞれの生成する磁場の向きが異なるように複数のハルバッハ型磁石１ａ〜１ｅを固定部材２５を介して配置している。即ち、外側ハルバッハ磁石２の発生する磁場の向き７と内側ハルバッハ型磁石１の発生する磁場の向き６の相対的な関係が異なるような構成となっている。したがって、外側ハルバッハ型磁石２を回転させて磁気冷凍層ユニット３への印加磁場を変化させるサイクル運転では、図１３及び１４のハルバッハ型磁石の組み（図１３では１ａと２、１ｂと２、図１４ では１ｃと２、１ｄと２、１ｅと２）の磁場の相対向きの位相がずれている。
【００７９】
また、図１５に示す例では、内側ハルバッハ型磁石１はその中空空間に一定の向きの磁場を生成しているのに対して、外側ハルバッハ型磁石２は、それぞれの生成する磁場の向きが異なるような複数のハルバッハ型磁石２ａ〜２ｃが固定部材２５を介して固定配置されている。本例においても、２重ハルバッハ型磁石の組み（１と２ａ、１と２ｂ、１と２ｃ）の磁場の相対向きの位相がずれている。
【００８０】
このように、図１３〜１５に関する例では、内側ハルバッハ型磁石あるいは外側ハルバッハ型磁石を生成する磁場の向きが異なるような複数のハルバッハ型磁石の組から構成し、得られた複数の内側ハルバッハ型磁石及び／又は複数の外側ハルバッハ型磁石の発生する磁場の相対向きの位相をずらすように設置している。したがって、２重ハルバッハ型磁石の内側磁石と磁気冷凍層ユニットとを固定したまま外側ハルバッハ型磁石を回転させることで、生成する磁気トルクを相互にキャンセルことができ、全体を回転させるための動力負荷を低減することが可能となる。
【００８１】
図１６は、上記図１３〜１５に関する例の変形例を説明するためのものである。本例では、外側ハルバッハ型磁石２を２ａと２ｂから構成している。このため、内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２ａは、それぞれが生成する磁場の向きが同方向となるために空間２６は高い磁場空間となり、内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２ｂは、それぞれが生成する磁場の向きが逆方向でキャンセルし合うため空間２７は低い磁場空間となる。
【００８２】
このような構成では、磁気冷凍ユニット３は高い磁場と低い磁場が交互に生成された空間２６及び２７に配置されており、部位によって印加磁場の大きさは異なっている。したがって、外側のハルバッハ型磁石２を軸方向に動かして、図１６(ａ)から図１６(ｂ)の位置に変位させると、磁気冷凍ユニットの各部位は高磁場から低磁場へ、低磁場から高磁場へと切り替えることができる。このような軸方向の変位を繰り返し行うことによっても磁気冷凍ユニットへ磁場の印加／除去サイクルを実現することが出来る。
【００８３】
また、このような構成では、ハルバッハ型磁石が生成する磁場空間に常に磁気冷凍ユニットが存在するため磁束の大きな変化が抑制されるため磁気トルクを低減でき、磁気冷凍層ユニットへの印加磁場を変化させるサイクル運転の動力負荷を低減することが可能である。
【００８４】
なお、特に図示しないが、磁石間で発生する磁気トルクの大きさは、磁束の変化と磁性材料の磁気モーメントの大きさとに比例するので、磁気冷凍の熱サイクルを運転するための動力負荷を低減させる別の方法として、磁束の変化を抑制する方法も効果的である。実際、図６に示した例においては、磁気冷凍層ユニットの部位を磁石が連続的にスキャンするような構造となっているので、磁気冷凍の熱サイクル運転に際して、対向する磁石が生成する磁場空間中に常に何れかの磁性体が存在するような構造とすることができ、磁束の変化を極力抑制する構成となっている。
【００８５】
なお、図６に示す例では、Ｌ側とＨ側との熱伝導部材の間を物理的に隔てているため、この近傍での磁束変化が顕著になる恐れがある。したがって、Ｌ側とＨ側との熱伝導部材の間の空間に、磁気冷凍層ユニットとは熱的に独立した(磁気冷凍の仕事とは関係しない)磁性材料２９を設置することが有効である。
【００８６】
本発明における磁気冷凍層ユニットを形成する磁性材料Ａは、磁場の印加により温度が上昇し磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示すのもで、磁場の印加によって常磁性状態から強磁性状態やフェリ磁性状態への秩序化が進む物質が好ましく、その物質固有の磁気相転移温度近傍で利用する。具体的な例としては、希土類、希土類合金、希土類と遷移金属の金属間化合物などが好ましく、ＧｄやＧｄ合金、Ｒ２Ｆｅ１７、ＲＣｏ２、ＲＮｉ２、ＲＡｌ２などがある。
【００８７】
磁性材料Ｂは、磁場の印加により温度が降下し磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示すもので、磁場の印加によって反強磁性状態から強磁性状態への秩序−秩序転移するものなどがあり、具体的な例としては、ＧｄＲｈやＭｎＧａ３Ｃなどが挙げられる。  
【００８８】
さらに、材料ａは、磁場の印加により高熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が低下する性質を示すもので、磁場を印加すると非磁性で絶縁体の状態から強磁性で金属の状態へ相転移する物質などを用いることができる。
【００８９】
材料ｂは磁場の印加により低熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が向上する性質を示すものである。磁場の印加によって秩序状態が壊れて電子の散乱が大きくなって熱伝導が低下するような系や、磁場の印加によって格子構造が変化してフォノンによる熱伝導が低下するような系が考えられる。
【００９０】
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。
【００９１】
例えば、上記具体例においては、磁気冷凍層ユニットをＡａＢｂ順に積層しているが、ＡｂＢａの順に積層することもできる。この場合も、上述した磁場印加及び除去に伴って熱輸送が行われるが、磁気冷凍層ユニットに磁場が印加されると磁性材料Ａは温度が上昇し、磁性材料Ｂは温度が降下する。このとき、材料ａは高熱伝導、材料ｂは低熱伝導の特性であることから、磁気冷凍層ユニット３の内部では、材料ｂによって磁性材料Ａ及び磁性材料Ｂは断熱され、熱が流れない。
【００９２】
一方、磁気冷凍層ユニット３がコの字型の永久磁石１８のギャップ空間から遠ざかった位置に配置されたとき、磁気冷凍層ユニット３に印加された磁場が取り除かれて、磁性材料Ａは温度が降下し、磁性材料Ｂは温度が上昇する。このとき、材料ａは低熱伝導、材料ｂは高熱伝導の特性であることから、磁気冷凍層ユニット３の内部では、磁性材料Ｂから材料ｂを介して磁性材料Ａに熱が流れる。
【００９３】
したがって、磁気冷凍層ユニットをＡｂＢａの順に積層した場合は、熱輸送は上記図中に示される矢印８とは逆向きに行われることになる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の磁気冷凍デバイスにおける磁気冷凍層ユニットの一例を示す模式図である。
【図２】図１に示す磁気冷凍層ユニットを用いた磁気冷凍デバイスの一例を示す構成図である。
【図３】同じく、図１に示す磁気冷凍層ユニットを用いた磁気冷凍デバイスの一例を示す構成図である。
【図４】本例における磁気冷凍層ユニット内の熱輸送を説明するための図である。
【図５】図１〜４に関する例の変形例を示す構成図である。
【図６】図５に示す具体例に対する変形例である。
【図７】本発明の磁気冷凍層ユニットの他の例における永久磁石（ハルバッハ型磁石）の基本構成を示す図である。
【図８】本例における磁気冷凍デバイスの構成を概略的に示す構成図である。
【図９】本例における熱輸送を説明するための図である。
【図１０】図８に関する磁気冷凍デバイスに対する可動機構を含んだ構成を概略的に示す構成図である。
【図１１】本発明の磁気冷凍デバイスのその他の例を示す構成図である。
【図１２】図１１に示す磁気冷凍デバイスにおける熱輸送を説明するための図である。
【図１３】本発明の磁気冷凍デバイスのさらに他の例を示す図である。
【図１４】同じく、本発明の磁気冷凍デバイスのさらに他の例を示す図である。
【図１５】同じく、本発明の磁気冷凍デバイスのさらに他の例を示す図である。
【図１６】図１３〜１５に関する例の変形例である。
【符号の説明】
【００９５】
１  内側ハルバッハ型磁石
２  外側ハルバッハ型磁石
３  磁気冷凍層ユニット
Ａ  磁場の印加により温度が上昇し、磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示す
磁性材料
Ｂ  磁場の印加により温度が降下し、磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示す磁性材料
ａ  磁場の印加により高熱伝導特性を示し、磁場の除去により熱伝導特性が低下する材料
ｂ  磁場の印加により低熱伝導特性を示し、磁場の除去により熱伝導特性が向上する材料
４  内側ハルバッハ型磁石における磁気異方性の方向を示す矢印
５  外側ハルバッハ型磁石における磁気異方性の方向を示す矢印
６  内側ハルバッハ型磁石が中空部に生成する磁場の向きを示す矢印
７  外側ハルバッハ型磁石が中空部に生成する磁場の向きを示す矢印
８  熱の流れの方向を示す矢印
９、９’  熱伝導部材
１０  被冷却部分
１２  回転機構
１１、１３  歯車
１４  （例えばベアリングなどを介した）可動可能な機構
１５  放熱部分
１６  （永久磁石の）磁極
１７  （永久磁石の）ヨーク
１８  コの字型永久磁石
１９  永久磁石を固定した回転盤
２０  磁路
２１ａ，２１ｂ  変位方向を表す矢印
２１ｃ  永久磁石を固定した回転盤の回転方向
２２  超電導ソレノイドコイル(超電導磁石)
２５  固定部材
２９  磁性材料
【図１】
2008082662.tif 000003
【図２】
2008082662.tif 000004
【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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