(57)【要約】【課題】  装置コストと運転コストとを低減することができ、構造が複雑でない、小型かつ高性能な磁性体を用いた温度調節装置を提供すること。【解決手段】  正の磁気熱量効果を有する磁性体を充填した筒状構造物１と負の磁気熱量効果を示す磁性体を充填した筒状構造物２とを直線上に連結し、その直線上の一方端に冷却器４を、他方端に放熱器５を接続する。磁石３は、筒状構造物１および筒状構造物２の間を往復運動できるように設置されている。断熱状態で、磁石３が移動することにより、それぞれの筒状構造物に充填された正および負の磁気熱量効果を有する磁性体が加熱または冷却されると、ポンプ６によって熱交換媒体を冷却器４または放熱器５へと移動させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱状態で磁場を印加すると温度が変化する磁性体を用い、該磁性体に対して磁場を発生する手段により磁場を印加し、磁性体が受ける磁場の強度を変えることによって加熱または冷却を行なう温度調節装置において、
断熱状態で磁場を印加すると温度が上昇する第１の磁性体と、
断熱状態で磁場を印加すると温度が低下する第２の磁性体と、
一方の前記磁性体に対して磁場を印加するときに、他方の前記磁性体に対して該磁場よりも強度の弱い磁場を印加するか又は磁場を印加しない手段と、
熱交換媒体を放熱器又は冷却器に移動させる熱移動手段とを備えたことを特徴とする磁性体を用いた温度調節装置。
【請求項２】
前記第１の磁性体と前記第２の磁性体が直線上に配列されていることを特徴とする請求項１記載の磁性体を用いた温度調節装置。
【請求項３】
前記磁場を発生する手段と前記第１の磁性体と前記第２の磁性体とを相対的に移動させる移動手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２記載の磁性体を用いた温度調節装置。
【請求項４】
前記磁場を発生する手段が、第１円筒型磁石と同心状で内側に第２円筒型磁石を配置し、第１又は第２円筒型磁石を回転することによって前記磁性体に印加する磁場を形成することを特徴とする請求項１記載の磁性体を用いた温度調整装置。
【請求項５】
前記第１の磁性体および前記第２の磁性体を備える筒状構造物と、
前記筒状構造物を回転させる回転手段とを備え、
前記第１の磁性体の磁化容易軸と前記第２の磁性体の磁化容易軸とが互いに垂直であることを特徴とする請求項１記載の磁性体を用いた温度調整装置。
【請求項６】
前記第１の磁性体は、複数の、断熱状態で磁場を印加すると温度が上昇する磁性体より成ることを特徴とする請求項１乃至４記載の磁性体を用いた温度調節装置。
【請求項７】
前記第２の磁性体は、複数の、断熱状態で磁場を印加すると温度が低下する磁性体より成ることを特徴とする請求項１乃至４記載の磁性体を用いた温度調節装置。
【請求項８】
前記第１の磁性体は、MnAs 、またはMn(As1-xSbx)（０＜ｘ≦０．２）で表される化合物、またはMnFe(P1-xAsx)（０．２≦ｘ≦０．８）で表される化合物、またはGd5(Si1-xGex)4（０．４≦ｘ≦０．６）で表される化合物であることを特徴とする請求項１乃至６記載の磁性体を用いた温度調節装置。
【請求項９】
前記第２の磁性体は、Fe-Rh合金、またはNi-Mn-Ga合金、またはMn-Cr-Sb合金、またはMn-Si合金、またはMn-Ga-C合金であることを特徴とする請求項１乃至６記載の磁性体を用いた温度調節装置。
【請求項１０】
断熱状態で磁場を印加すると温度が変化する磁性体を用いた温度調節装置において、
断熱状態で磁場を印加すると温度が上昇する第１の磁性体と、
断熱状態で磁場を印加すると温度が低下する第２の磁性体と、
前記磁性体に磁場を印加する手段と
熱交換媒体を放熱器又は冷却器に移動させる手段とを備えたことを特徴とする磁性体を用いた温度調節装置。
【請求項１１】
前記磁性体に磁場を印加する手段が、一方の前記磁性体に対して磁場を印加するときに、他方の前記磁性体に対して該磁場よりも強度の弱い磁場を印加するか又は磁場を印加しない手段であることを特徴とする請求項１０記載の磁性体を用いた温度調節装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体を用いた温度調節装置に関し、より詳細には、断熱状態で磁気熱量効果を有する磁性体に対して印加する磁場の増加および減少を行うことによって熱の移動を行う磁性体を用いた温度調節装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の温度調節装置として、エアコン、給湯や空調に利用されるヒートポンプ等が挙げられる。これらの温度調節装置は、フロンまたは代替フロンである二酸化炭素等を冷媒として用いており、これら冷媒を圧縮・膨張することによって熱を移動させているので、コンプレッサ等の冷媒を圧縮・膨張させるための大きな電力を要する機器を必要としている。また、フロンによるオゾン層の破壊、代替フロンである二酸化炭素による地球の温室効果等、環境への悪影響を考慮しなければならない。このような冷媒等の圧縮・膨張を必要としない温度調節装置として、磁気冷凍機が知られている。
【０００３】
ところで、ある種の磁性体は、その磁性体に磁場を印加し、その磁場を増加させると、磁化が変化し、その磁性体は、磁化の変化に応じて発熱または吸熱を起こす。また逆に、印加する磁場を減少させることで、磁性体の磁化が変化し、その磁化に応じて磁性体が吸熱または発熱を起こすものもある。このような現象を、磁気熱量効果と呼んでいる。
【０００４】
一般的に、断熱状態の磁性体への印加する磁場の強度を増加させると温度が上昇する磁性体を、正の磁気熱量効果を有する磁性体と言い、他方、断熱状態の磁性体への印加する磁場の強度を増加させると温度が低下する磁性体を、負の磁気熱量効果を有する磁性体と言う。また、正の磁気熱量効果を有する磁性体は、磁性体の温度が一定のとき、印加する磁場を増加すると、エントロピーが減少し、減少したエントロピーに比例した熱量を放熱する。負の磁気熱量効果を有する磁性体については、磁性体の温度が一定のとき、印加する磁場を増加すると、エントロピーが増加し、増加したエントロピーに比例した熱量を吸熱する。このような性質を有する磁気熱量効果を利用して被冷却物を冷却する方法は、磁気冷凍と呼ばれている。
【０００５】
上述の磁気熱量効果を利用した磁気冷凍技術を用いると、従来のフロンまたは代替フロンの圧縮膨張を行わないので、環境に悪影響を与えない。また、コンプレッサ等を用いないので、動力が少なくて済み、省エネルギーに貢献することができる。従って、磁気熱量効果を利用した磁気冷凍への関心が強まっている。
【０００６】
磁気冷凍の原理は古くから知られており、１９２０年代にデバイおよびジオークにより提案されている。この技術は、液体ヘリウム温度以下の低温生成や超流動ヘリウムの生成およびヘリウムの液化などの低温下で用いられている。この冷却技術は、磁気熱量効果を示す温度が磁性体によって様々であるので、磁性体を、適宜、選択することにより冷却プロセスの適応温度および到達温度を変更することができる。
【０００７】
磁気冷凍により冷却を行う方法は、一回だけ、磁気熱量効果を有する磁性体に対して印加する磁場の増加および減少を行う方法と、磁気熱量効果を有する磁性体に対して印加する磁場の増加および減少をサイクルで行う方法とがある。前者はヘリウム温度以下の極低温を生成する際に多く用いられる。ヘリウムなどのガスの液化や、定常的に被冷却物を冷却する目的においては、磁気熱量効果を有する磁性体に対して印加する磁場の増加および減少をサイクルで行う後者の方法が多く用いられる。このような、磁気熱量効果を有する磁性体に対して印加する磁場の増加および減少をサイクルで行う方法を用いた磁気冷凍機としては、磁気熱量効果を有する磁性体を含むピストンを磁石により生成される磁場中に出し入れすることで、磁気熱量効果を有する磁性体に対して印加する磁場の増加および減少をサイクルで行うものが提案されている。図１１は、従来の磁気熱量効果を有する磁性体に対して印加する磁場の増加および減少をサイクルで行う磁気冷凍機の模式図である。
【０００８】
この方法では、図１１から分かる通り、磁性体を含むピストン４１を磁石４３から引き抜く、または押し出す際に、ピストン４１中の磁化された磁性体と磁石４３との間の引力に逆らう大きな力が必要となる。そのため、大きな駆動力を発生させることのできるモータ等の駆動装置が必要となり装置製造コストが高くなっていた。
【０００９】
図１２は、従来のホイール型磁気冷凍機を示す図である。図１２において、円盤状の磁気熱量効果を有する磁性体（以降、磁性体円盤と呼ぶ）５１の一部にだけ磁場が印加されるように磁石５３または磁場発生装置を配設し、磁性体円盤５１を回転させることにより、磁性体円盤５１の各部分の印加する磁場の増加および減少を連続的に行っている。その際、磁性体円盤５１を通過した冷却または加熱された水等の液体は、冷却器５４および放熱器５５に到達し、被冷却物の冷却等を行う。この方法によると、回転している磁性体円盤５１のうち、磁場が印加された空間から引き抜かれる部分に作用する力は、同時に磁場が印加された空間の方に向かって移動している部分を引き寄せる力によって相殺されるため、磁性体円盤５１を回転させるための力を小さくすることができる。また、２つ以上の冷却サイクルを同時に行うため、装置の小型化、高性能化が可能である。（特許文献１参照）
【００１０】
しかしながら、この方法では、回転する磁性体円盤５１と冷熱交換器や冷却器のような熱負荷を交換する機器との熱的な接続、および温熱交換器や放熱器のような熱を排除する機器との熱的な接続を行うための構造が複雑になってしまう。
【００１１】
図１３は、従来の２つの磁気熱量効果を有する磁性体を含むピストンを備える磁気冷凍機を示す図である。図１３において、２つの磁気熱量効果を有する磁性体を含むピストン６１は、ピストン棒によって支持されており、２つの冷却器６４の間を往復運動する。また、磁石６３または磁場発生装置は、ピストン６１の移動領域の一部に磁場を印加するように配設されており、磁場が印加された空間を、ピストン６１が往復運動を行い、ピストン６１中の磁気熱量効果を有する磁性体に対して印加する磁場の増加および減少を行っている。この方法によると、一方のピストン６１を磁場が印加された空間から抜き取るときに必要な力は、他方のピストン６１を磁場が印加された空間に引き寄せられる力によって相殺されるため、２つのピストン６１を駆動するための力を小さくすることが可能である。また、２つ以上の冷却サイクルを同時に行うため、装置の小型化、高性能化が可能である。（特許文献２参照）
【００１２】
しかしながら、この方法では、一方のピストン６１中の磁気熱量効果を有する磁性体が発熱しているときは、他方のピストン６１中の磁気熱量効果を有する磁性体は吸熱しているため、それら磁性体を含むピストン６１間の熱の流入を防ぐための断熱構造を取り入れる、または熱の流入がないようにそれら２つの磁性体を含むピストン６１間の距離を離す、などの工夫をしなければならない。そのために、磁気冷凍機の構造が複雑になることが考えられる。また、この方法では、冷却器６４が２つに分離しているため、一箇所を効率良く冷却するのには向かない。
【００１３】
逆に、２つの磁気熱量効果を示す磁性体の間に冷却器等の冷熱を交換する機器を置く構造が提案されている。図１４は、従来の２つの磁気熱量効果を示す磁性体の間に冷却器を置く構造の磁気冷凍機を示す図である。図１４において、２つの磁気熱量効果を有する磁性体を含むピストン７１および２つのピストン７１の間に配設された冷却器７４は、ピストン棒によって支持されており、往復運動を行うことができる。また、磁石７３または磁場発生装置は、ピストン７１の移動領域の一部に磁場を印加するように配設されており、磁場が印加された空間を、ピストン７１が往復運動を行い、ピストン７１中の磁気熱量効果を有する磁性体に対して印加する磁場の増加および減少を行っている。この方法によると、特許文献２と同様に、一方のピストン７１を磁場が印加された空間から抜き取るときに必要な力は、他方のピストン７１を磁場が印加された空間に引き寄せられる力によって相殺されるため、２つのピストン７１を駆動するための力を小さくすることが可能である。また、冷却器７４は、２つのピストン７１の間に配設されているため、一箇所を効率よく冷却することができる。また上述の２件の特許文献同様、この装置においても２つ以上の冷却サイクルを同時に行うため、装置の小型化、高性能化が可能である。（非特許文献１参照）
【００１４】
しかしながら、この方法では、２つの磁気熱量効果を有する磁性体からの冷却能力を一箇所に集中させるため、効率良く冷却を行うことができるが、冷却器７４を２つのピストン７１間に置くことは装置の構造が複雑になり、実際には、冷却器７４をピストン７１と磁石７３とから離れた場所に配設しなければならない。
【００１５】
【特許文献１】特公平３−２５７１０号公報
【特許文献２】特公平１−５２６６６８号公報
【非特許文献１】Ａｄｖａｎｃｅｓ  Ｉｎ  Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  （Ｐｌｅｎｕｍ  Ｐｒｅｓｓ発行）  第３７巻８７５ページ  （１９９２年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述のように、図１１に示す従来の構成では、磁場が印加された空間に対して磁気熱量効果を有する磁性体（以降、磁性材料と呼ぶ）を含むピストン４１が往復運動をするための装置の構成は単純であるが、磁性材料を含むピストン４１を磁石４３から引き抜く、または押し出すためには大きな力を要する。そのために、大きな動力源が必要であるため、装置コストおよび運転コストが増加していた。また、図１２、図１３および図１４に示す従来の構成では、それぞれ、磁性材料と磁石等の磁場発生装置との間に作用する力を相殺したので、大きな動力源を必要とすることは無くなり、装置の小型化高性能化が可能になったが、磁性材料と冷却器等の熱交換器との接続における構造の複雑化が生じた。
【００１７】
そこで、本発明は、装置コストと運転コストとを低減することができ、構造が複雑でない、小型かつ高性能な磁性体を用いた温度調節装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
よって、本発明は、断熱状態で磁場を印加すると温度が変化する磁性体を用い、該磁性体に対して磁場を発生する手段により磁場を印加し、磁性体が受ける磁場の強度を変えることによって加熱または冷却を行なう温度調節装置において、断熱状態で磁場を印加すると温度が上昇する第１の磁性体と、断熱状態で磁場を印加すると温度が低下する第２の磁性体と、一方の前記磁性体に対して磁場を印加するときに、他方の前記磁性体に対して該磁場よりも強度の弱い磁場を印加するか又は磁場を印加しない手段と、熱交換媒体を放熱器又は冷却器に移動させる熱移動手段とを備えたものである。
【００１９】
さらに、本発明は、断熱状態で磁場を印加すると温度が変化する磁性体を用いた温度調節装置において、断熱状態で磁場を印加すると温度が上昇する第１の磁性体と、断熱状態で磁場を印加すると温度が低下する第２の磁性体と、前記磁性体に磁場を印加する手段と
熱交換媒体を放熱器又は冷却器に移動させる手段とを備えたものである。
【００２０】
本発明の磁場を発生する手段は、磁石等の磁場発生装置により構成されている。
本発明の熱移動手段は、ポンプにより構成されている。
【発明の効果】
【００２１】
以上の構成によれば、磁場の印加を行う正の磁気熱量効果を有する磁性体および負の磁気熱量効果を有する磁性体を備えることにより、冷却器や放熱器の配設が容易になり、磁場発生手段の移動や回転磁場発生装置の回転等を行うために大きな電力を要する駆動装置を必要とせず、単純でコンパクトな装置構成で冷却器および放熱器へ熱を移動することが可能である。また２つ以上の冷却サイクルを同時に行うため、小型高性能な装置を得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、正の磁気熱量効果を有する磁性体（以降、正の磁性材料と呼ぶ）と負の磁気熱量効果を有する磁性体（以降、負の磁性材料と呼ぶ）とが同一装置内に配列され、磁場発生手段によって、それら２つの磁性材料のうち一方の磁性材料に対して磁場が印加されているときに、他方の磁性材料には一方の磁性材料への印加する磁場よりも小さな磁場またはゼロ磁場が印加されるように構成され、好ましくは、磁場発生装置によって、一方の磁性材料に対して最大磁場が印加されているときに、他方の磁性材料には最小磁場またはゼロ磁場が印加されるように構成された磁性材料を用いた温度調節装置を提供するものである。
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（実施形態１）
本実施形態では、磁性材料を用いた温度調節装置として、正の磁性材料と負の磁性材料とを用いた磁気冷凍機について説明する。
【００２４】
本実施形態に係る磁気冷凍機において、正の磁性材料と負の磁性材料とが断熱状態で直線上に連結され、一方の磁性材料に磁場が印加され他方の磁性材料に磁場が印加されていないかまたは弱い磁場が印加されている構成であるので、上述の背景技術と同様に、磁性材料または磁石の移動により一方の磁性材料が磁場空間から引き抜かれるときに必要な力は、もう一方の磁性材料が磁場空間に引き寄せられる力により相殺されるため、磁性材料または磁石の移動の際に必要な力は小さくなる。従って、図１１に示される構成の磁気冷凍機において必要である大きな電力を要する駆動装置を用いる必要が無くなる。
【００２５】
このとき、磁場空間から引き抜かれる磁性材料が正の磁性材料である場合、磁場空間から引き抜かれることにより正の磁性材料に印加される磁場が小さくなり（以降、減磁と呼ぶ）、正の磁性材料は、断熱状態であるので温度が低下し周囲から熱を奪う（以降、吸熱と呼ぶ）。同時に、他方の磁場空間に引き寄せられる磁性材料である負の磁性材料は、磁場空間に引き寄せられることにより印加される磁場が大きくなり（以降、増磁と呼ぶ）、負の磁性材料も同様に吸熱する。逆に、磁場空間から引き抜かれる磁性材料が負の磁性材料である場合、負の磁性材料は減磁され、断熱状態であるので温度が上昇し周囲に熱を与える（以降、発熱と呼ぶ）。同時に、磁場空間に引き寄せられる磁性材料が正の磁性材料であるので、正の磁性材料は増磁され、断熱状態であるので温度が上昇し発熱する。つまり、一方の磁性材料が増磁または減磁状態であり同時に他方の磁性材料がそれとは逆の磁場状態になるように磁石または磁性材料を移動することによって、正の磁性材料および負の磁性材料は、磁場状態に応じて吸熱または加熱する。
【００２６】
それゆえ、直線上に連結された磁性材料構造物のどちらか一方端に冷却器を配設すると、正の磁性材料および負の磁性材料が共に吸熱した際に、冷却器と磁性材料との間で熱移動させることにより冷却器にある被冷却物を冷却することができる。一方、磁性材料構造物の他方端には放熱器を配設し、正の磁性材料および負の磁性材料が共に発熱した際に、放熱器と磁性体との間で熱移動させることで、放熱を行うことができる。このように、冷却器と正の磁性材料および負の磁性材料と放熱器とが直線上に配設されているため、装置内の構造は簡単になる。また、強い磁場が得られる円筒型磁石も、切込みを入れることなく使用することが可能である。つまり２つ以上の冷却サイクルを同時に行うため、小型高性能な装置を得ることが可能となる。
【００２７】
図１は、本実施形態に係る磁性材料を用いた磁気冷凍機を示す図である。同図において、粒状の正の磁性材料を充填した筒状構造物１と粒状の負の磁性材料を充填した筒状構造物２とは直線上に磁性材料が充填されていない筒状の構造物７を介して連結されている。構造物７の内部には、筒状構造物１および筒状構造物２に充填される磁性材料以外の磁性材料で充填されていても良いが、このときの構造物７に充填される磁性材料の磁気熱量効果は、筒状構造物１および筒状構造物２に充填される磁性材料の磁気熱量効果に比べて十分に小さいことが望ましい。また、構造物７の内部の容積は、筒状構造物１および筒状構造物２の充填された磁性材料が占める容積以外の容積に対して十分に小さい。磁石３は、円筒形状を有したハルバックシリンダと呼ばれる円筒型永久磁石である。この磁石３は、図示していないキャリッジに配設されると共に、この円筒内部に筒状構造物１および筒状構造物２を収納して移動できる。一方、キャリッジは、図示していないモータによって図示していないレール上を往復運動するよう構成されている。これにより、筒状構造物１および筒状構造物２に対して交互に磁場印加することができる。筒状構造物１と筒状構造物２とが連結された直線上の一方端に冷却器４は配設され、他方端に放熱器５が配設されている。熱交換媒体の移動の駆動源となるポンプ６は、冷却器４と筒状構造物１、筒状構造物２と放熱器５とを結ぶ直線上に筒状構造物２と放熱器５との間に配設されている。直線上に連結された冷却器４、筒状構造物１、構造物７、筒状構造物２、ポンプ６および放熱器５の内部には熱交換媒体として水とエタノールとの混合物が充填されている。磁石３の移動と熱交換媒体の移動との同期に必要なモータとポンプ６との同期は、不図示の同期手段によって制御されている。以上の構成において、冷却器４と放熱器５との間を図示していない断熱材で覆うことにより、磁気冷凍サイクルを断熱状態で行うことができる。
本実施形態における移動手段は、キャリッジ、レールおよびモータより構成される。
【００２８】
以上説明したように本実施形態は、冷却器４、正の磁性材料を充填した筒状構造物１、構造物７、負の磁性材料を充填した筒状構造物２、ポンプ６および放熱器５を直線上に配設する構成であるので、上述の従来の磁気冷凍機よりも単純な構成を実現することができる。また、本実施形態の構成により、磁石３として円筒型磁石を切込みを入れることなしで用いることができる。
【００２９】
本実施形態は、粒状の正の磁性材料および負の磁性材料を充填した筒状構造物を連結する構造であるが、多孔質の正の磁性材料および負の磁性材料を連結する構造であっても良い。
【００３０】
また、本実施形態において、構造物７を配設しなくても良い。ただし、この場合、磁場が印加されていない方の筒状構造物に充填される磁性材料に印加される磁場を極力小さくするため、磁石３の漏洩磁場を極力小さくする必要がある。
【００３１】
さらに、本実施形態において、磁石３として、双極子磁場を発生させる対向型永久磁石を用いてもよく、また超伝導磁石などのコイルを用いた磁場発生装置を用いても良い。
【００３２】
さらに、本実施形態において、ポンプ６は、筒状構造物１と冷却器４との間に配設されていても良く、また冷却器４または放熱器５または構造物７に内蔵されていても良い。
【００３３】
さらに、本実施形態において、熱交換媒体として、水や有機溶媒等の液体、または窒素やヘリウムなどの気体を用いても良い。
【００３４】
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）は、本実施形態に係る磁気冷凍機による冷凍サイクルを示す図である。なお、図２（ａ）〜（ｆ）における磁気冷凍機の構成については、図１と同様であるので同じ符号を付すと共に説明は省略する。
【００３５】
図２（ａ）において、磁石３によって負の磁性材料が充填された筒状構造物２は磁場が印加されており、一方、正の磁性材料が充填された筒状構造物１は、ほぼ磁場が印加されていない状態である。
【００３６】
図２（ｂ）に示されるように、磁石３が筒状構造物１に磁場を印加するべく移動すると、筒状構造物２に充填された負の磁性材料は減磁状態に、筒状構造物１に充填された正の磁性材料は増磁状態になり、断熱状態であるのでそれら磁性材料の温度は共に上昇する。このとき、筒状構造物１に充填された正の磁性材料と筒状構造物２に充填された負の磁性材料との温度上昇が同程度、またはそれら磁性材料間の熱移動が良好であると、それら磁性材料の温度はほぼ等しくＴＨとなる。
【００３７】
図２（ｃ）に示されるように、ポンプ６によって、ＴＨよりも低い温度である放熱器５に対して筒状構造物１および筒状構造物２において加熱された熱交換媒体を移動することにより、放熱器５において、加熱された熱交換媒体による放熱が行われる。このとき、放熱器５の温度は、ＴＨ−Δとなる（ＴＨ−Δ＜ＴＨ）。一方、同時に冷却器４と筒状構造物１および筒状構造物２との間でも熱交換媒体が移動するので熱移動が起こるが、このとき、冷却器４の温度はＴＨよりも低いため、筒状構造物１および筒状構造物２に充填された磁性材料の温度は、ＴＨ−αとなる（ＴＨ−α＜ＴＨ−Δ＜ＴＨ）。
【００３８】
図２（ｄ）に示されるように、磁石３が筒状構造物２に磁場を印加するべく移動する。
【００３９】
図２（ｅ）に示されるように、筒状構造物２に充填された負の磁性材料は増磁状態に、筒状構造物１に充填された正の磁性材料は減磁状態になり、断熱状態であるのでそれら磁性材料の温度は共に低下する。このとき、筒状構造物１に充填された正の磁性材料と筒状構造物２に充填された負の磁性材料との温度低下が同程度、またはそれら磁性材料間の熱移動が良好であると、それら磁性材料の温度はほぼ等しくＴＬとなる。
【００４０】
図２（ｆ）に示されるように、ポンプ６によって、ＴＬよりも高い温度である冷却器４に対して筒状構造物１および筒状構造物２において冷却された熱交換媒体を移動することにより、冷却器４において、冷却された熱交換媒体によって被冷却物は冷却される。このとき、冷却器４の温度は、ＴＬ＋σとなる（ＴＬ＜ＴＬ＋σ）。一方、同時に放熱器５と筒状構造物１および筒状構造物２との間でも熱交換媒体が移動するので熱移動が起こるが、このとき、放熱器５の温度はＴＬよりも高いため、筒状構造物１および筒状構造物２に充填された磁性材料の温度は、ＴＬ＋βとなる（ＴＬ＜ＴＬ＋σ＜ＴＬ＋β）。
【００４１】
以上の図２（ａ）〜（ｆ）に示したサイクルを繰り返すことで、冷却器４による被冷却物の冷却が可能となる。
【００４２】
さらに、本実施形態において、正の磁性材料の磁気熱量効果を示す温度範囲と、負の磁性材料の磁気熱量効果を示す温度範囲とが異なり、それら温度範囲が連続になるように磁性材料を選択すると、それら二種類の磁性材料の加熱時および冷却時において温度差が生じ、冷却器４と放熱器５との温度差を大きくすることが可能である。すなわち、冷却器４の到達温度をより低温にすることができる。
【００４３】
図３は、本実施形態に係る正の磁性材料としてMnAsを、負の磁性材料としてFe0.49Rh0.51を用いた磁気冷凍機を示す図である。なお、図３において、１Ａおよび２Ａ以外の構成要素については、図１と同様であるので、同じ符号を付すと共に説明は省略する。
【００４４】
図３では、筒状構造物１Ａは、直径約１ｍｍのMnAsが充填されている。MnAsは、３００ケルビンから３１０ケルビンにキュリー温度を有する、正の磁性材料である。また、筒状構造物２Ａは、Fe0.49Rh0.51が充填されている。Fe0.49Rh0.51は３１０ケルビンから３５０ケルビンにキュリー温度を有する、負の磁性材料である。上述から分かる通り、正の磁性材料であるMnAsと負の磁性材料であるFe0.49Rh0.51との温度範囲は連続である。なお、構造物７の内部には、MnAsまたはFe0.49Rh0.51以外の磁性材料が充填されていてもよい。このときの磁性材料の磁気熱量効果はMnAsまたはFe0.49Rh0.51と比較して十分小さいことが望ましい。
【００４５】
図３において、磁石３が筒状構造物２Ａ中のFe0.49Rh0.51に最大磁場を印加している状態から、MnAsに磁場を印加すべく筒状構造物１Ａの方向へ移動すると、筒状構造物２Ａ中のFe0.49Rh0.51への印加磁場は減少する。最終的に磁石３は筒状構造物１Ａに完全に移動し、Fe0.49Rh0.51へ印加される磁場の強度は最小またはゼロになる。この過程で負の磁性材料であるFe0.49Rh0.51は発熱し温度は約３５０ケルビンになり、熱交換媒体を加熱する。一方、同時に筒状構造物１Ａ中のMnAsへの印加磁場は増加し、磁石３が完全に筒状構造物１Ａに移動すると、MnAsへの印加磁場が最大になる。この過程で正の磁性材料であるMnAsは発熱し温度は約３１０ケルビンとなり、熱交換媒体を加熱する。このとき、ポンプ６を図３の左向き、すなわち放熱器５へ熱交換媒体を移動させるように動作させ、加熱された熱交換媒体を筒状構造物２Ａから放熱器５へ、また筒状構造物１Ａから筒状構造物２Ａへと移動させる。放熱器５に移動した、加熱された熱交換媒体は、放熱器５で外界に放熱され、熱交換媒体の温度は下がる。また、筒状構造物１ＡでMnAsにより加熱された熱交換媒体は、発熱したFe0.49Rh0.51より温度が低く、ポンプ６により筒状構造物２Ａに移動することでFe0.49Rh0.51を冷却する。また、同様に冷却器４に存在した熱交換媒体は筒状構造物１Ａに移動し、発熱したMnAsを冷却する。この第１行程により、温度の高いほうから、放熱器５、筒状構造物２Ａ、筒状構造物１Ａ、冷却器４の順に温度の勾配が形成される。
【００４６】
ついで、磁石３が筒状構造物１Ａ中のMnAsに最大磁場を印加している状態から、Fe0.49Rh0.51に磁場を印加すべく筒状構造物２Ａの方向へ移動すると、筒状構造物１Ａ中のMnAsへの印加磁場は減少する。最終的に磁石３は筒状構造物２Ａに完全に移動し、MnAsに印加される磁場の強度は最小またはゼロになる。この過程で正の磁性材料であるMnAsの温度は３００ケルビンに低下し、熱交換媒体は冷却される。一方、同時に筒状構造物２Ａ中のFe0.49Rh0.51への印加磁場が増加し、磁石３が完全に筒状構造物２Ａへ移動すると、Fe0.49Rh0.51への印加磁場が最大になる。この過程で負の磁性材料であるFe0.49Rh0.51の温度は３１０ケルビンに低下し、熱交換媒体は冷却される。このとき、ポンプ６を図３の右向き、すなわち冷却器４へ熱交換媒体を移動させるように動作させ、冷却された熱交換媒体を筒状構造物１Ａから冷却器４へ、また筒状構造物２Ａから筒状構造物１Ａへと移動させる。冷却器４に移動した、冷却された熱交換媒体により、冷却器４の被冷却物は冷却される。Fe0.49Rh0.51により冷却された熱交換媒体はMnAsより温度が高く、ポンプ６により筒状構造物１Ａに移動することでMnAsの温度を上昇させる。また、放熱器５で放熱した後の熱交換媒体は筒状構造物２Ａに移動し、Fe0.49Rh0.51の温度を上昇させる。この第２行程により、温度の高いほうから、放熱器５、筒状構造物２Ａ、筒状構造物１Ａ、冷却器４の順に温度の勾配が形成される。
【００４７】
以上の第１行程および第２行程をサイクルとして実行することにより、放熱器５、筒状構造物２Ａ、筒状構造物１Ａ、冷却器４と順に形成される温度勾配を定常的なものとし、常に冷却器４により被冷却物を冷却することができる。
【００４８】
本実施形態の正の磁性材料は、MnAsの他に、正の磁気熱量効果を有する磁性体、例えば、Mn(As1-xSbx)（０＜ｘ≦０．２）で表される化合物、MnFe(P1-xAsx)（０．２≦ｘ≦０．８）で表される化合物、またはGd5(Si1-xGex)4（０．４≦ｘ≦０．６）で表される化合物等を含むことができるし、これらの材料を複数用いても良い。また、本実施形態の負の磁性材料は、Fe0.49Rh0.51の他に、負の磁気熱量効果を有する磁性体、例えば、NiMnGa合金、MnCrSb合金、MnSi合金、またはMnGaC合金等を含むことができるし、これらの材料を複数用いても良い。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態によれば、正の磁気材料および負の磁気材料を直線上に連結しその直線上に磁石が移動可能に設けられ、その直線上の一方端に冷却器を、他方端に放熱器を配設する構成であるので、磁石を移動するために大きな電力を要する駆動装置を必要とせず、単純な装置構成で冷却することが可能である。また２つ以上の冷却サイクルを同時に行うため、小型高性能な装置を得ることが可能である。
【００５０】
（実施形態２）
本実施形態では、実施形態１における正の磁性材料および負の磁性材料を、それぞれ複数の、同符号の磁気熱量効果を有する磁性体により構成する形態について説明する。
【００５１】
図４は、本実施形態に係る磁気冷凍機を示す図である。図４において、１Ｂおよび２Ｂ以外の構成要素については、図１と同様であるので、同じ符号を付すと共に説明は省略する。
【００５２】
図４では、正の磁性材料を充填する筒状構造物１Ｂは、磁気熱量効果を示す温度が異なる磁性体を、複数選択し、磁気熱量効果を示す温度が高い順に、放熱器５側から冷却器４側に向かって所定距離毎に並べて配置されている。また、負の磁性材料を充填する筒状構造物２Ｂにおいても、磁気熱量効果を示す温度が異なる磁性体を、複数選択し、磁気熱量効果を示す温度が高い順に、放熱器５から冷却器４側に向かって所定距離毎に並べて設置されている。なお、複数の正の磁性材料および負の磁性材料は、それぞれ、磁気熱量効果を示す温度範囲が連続になるように選択する。
【００５３】
以上の構成の筒状構造物１Ｂおよび筒状構造物２Ｂを用いることにより、放熱器５と冷却器４との温度差を大きくすることができ、冷却器の到達温度を低温にすることができる。
【００５４】
本実施形態における磁気冷凍サイクルについては、図３において説明した磁気冷凍サイクルと同様であるので説明は省略し、本実施形態に特徴的な部分に関して説明する。
【００５５】
本実施形態の磁気冷凍サイクルにおいて、−５℃から０℃にキュリー温度を有する第１正の磁性材料、０℃から５℃にキュリー温度を有する第２正の磁性材料、５℃から１０℃にキュリー温度を有する第３正の磁性材料、および１０℃から２５℃にキュリー温度を有する第４正の磁性材料を順に、筒状構造物１Ｂの中に冷却器４から筒状構造物２Ｂに向かって距離Ｌ毎に配置し、１５℃から２０℃にキュリー温度を有する第１負の磁性材料、２０℃から２５℃にキュリー温度を有する第２負の磁性材料、２５℃から３０℃にキュリー温度を有する第３負の磁性材料、および３０℃から３５℃にキュリー温度を有する第４負の磁性材料を順に、筒状構造物２Ｂの中に筒状構造物１Ｂから放熱器５に向かって距離Ｌ毎に配置する。磁石３の移動により、筒状構造物1Ｂおよび筒状構造物２Ｂ中の各磁性材料を発熱させ熱交換媒体を加熱する場合、ポンプ６を放熱器５へ熱交換媒体を距離Ｌだけ移動させるように動作させ、加熱された熱交換媒体を構造物２Ｂから放熱器５へ、また構造物１Ｂから構造物２Ｂへと距離Ｌだけ移動させる。放熱器５に移動した、加熱された熱交換媒体は、放熱器５で外界に放熱され、熱交換媒体の温度は下がる。この第３行程により、温度の高いほうから、放熱器５、筒状構造物２Ｂ、筒状構造物１Ｂ、冷却器４の順に温度の勾配が形成される。また、このとき、筒状構造物１Ｂおよび筒状構造物２Ｂ中の各磁性材料についても、放熱器５から冷却器４に向かって温度勾配が形成される。
【００５６】
次いで、磁石３を移動することにより、筒状構造物1Ｂおよび筒状構造物２Ｂ中の各磁性材料の温度を低下させ熱交換媒体を冷却する場合、ポンプ６を冷却器４へ熱交換媒体を距離Ｌだけ移動させるように動作させ、冷却された熱交換媒体を構造物１Ｂから冷却器４へ、また構造物２Ｂから構造物１Ｂへと距離Ｌだけ移動させる。冷却器４に移動した、冷却された熱交換媒体により、冷却器４の被冷却物は冷却される。この第４行程により、温度の高いほうから、放熱器５、筒状構造物２Ｂ、筒状構造物１Ｂ、冷却器４の順に温度の勾配が形成される。また、このとき、筒状構造物１Ｂおよび筒状構造物２Ｂ中の各磁性材料についても、放熱器５から冷却器４に向かって温度勾配が形成される。
【００５７】
以上の第３行程および第４行程をサイクルとして実行することにより、放熱器５、筒状構造物２Ｂ、筒状構造物１Ｂ、冷却器４と順に形成される温度勾配を定常的なものとし、常に冷却器４により被冷却物を冷却することができる。
【００５８】
本実施形態において、正の磁性材料および負の磁性材料をそれぞれ4種類づつ選択したが、この数に限定されず、使用目的に応じて適宜設定することができる。
【００５９】
本実施形態の正の磁性材料は、実施形態１で述べたものと同様な磁性材料を用いることができる。また、本実施形態の負の磁性材料についても、実施形態１で述べたものと同様な磁性材料を用いることができる。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態によれば、実施形態１と同様に単純な装置構成で冷却することが可能である。また２つ以上の冷却サイクルを同時に行うため、小型高性能な装置を得ることが可能である。
【００６１】
また、放熱器、負の磁性材料が充填された構造物、正の磁性材料が充填された構造物、冷却器と順に温度勾配が定常的に形成することで、放熱器と冷却器との間の温度差を大きくでき、冷却器の到達温度をより低温にすることができる。
【００６２】
（実施形態３）
本実施形態では、実施形態１および実施形態２における正の磁性材料と負の磁性材料とに印加される磁場を変化させる行程を、磁石の移動によるものではなく、正の磁性材料および負の磁性材料を磁場中で移動することにより行うものである。
【００６３】
図５は、本実施形態に係る磁性材料を用いた磁気冷凍機を示す図である。同図において、粒状の正の磁性材料を充填した筒状構造物１１と、粒状の負の磁性材料を充填した筒状構造物１２とは、直線上に磁性材料が充填されていない筒状の構造物１７を介して連結されている。構造物１７の内部には、筒状構造物１１および筒状構造物１２に充填される磁性材料以外の磁性材料で充填されていても良いが、このときの構造物１７に充填される磁性材料の磁気熱量効果は、筒状構造物１１および筒状構造物１２に充填される磁性材料の磁気熱量効果に比べて十分に小さいことが望ましい。また、構造物１７の内部の容積は、筒状構造物１１および筒状構造物１２の充填された磁性材料が占める容積以外の容積に対して十分に小さい。また、筒状構造物１１および筒状構造物１２の連結された直線上の一方端は、図示していない第１可動性チューブを介して放熱器１５が接続され、他方端には、図示していない第２可動性チューブを介して冷却器１４が接続されている。第１可動性チューブおよび第２可動性チューブには、図示していないモータが接続されており、モータを駆動することによって、それぞれの可動性チューブが伸縮し、それら可動性チューブの間に連結されたそれぞれの筒状構造物が移動する。磁石１３は、円筒形状を有したハルバックシリンダと呼ばれる円筒型永久磁石であり、筒状構造物の移動領域の一部に磁場を印加するように配設されている。また、磁石１３の円筒内部に筒状構造物１１および筒状構造物１２を収納するよう構成されている。熱交換媒体の移動源となるポンプ１６は、冷却器１４と筒状構造物１１、筒状構造物１２と放熱器１５とを結ぶ直線上に筒状構造物１２と第１可動性チューブとの間に配設されている。直線上に連結された冷却器１４、第２可動性チューブ、筒状構造物１１、構造物１７、筒状構造物１２、ポンプ１６、第１可動性チューブおよび放熱器１５の内部には熱交換媒体として水とエタノールとの混合物が充填されている。可動性チューブの伸縮と熱交換媒体の移動との同期に必要なモータとポンプ１６との同期は、不図示の同期手段によって制御されている。以上の構成において、冷却器１４と放熱器１５との間を図示していない断熱材で覆うことにより、磁気冷凍サイクルを断熱状態で行うことができる。
【００６４】
本実施形態の移動手段は、可動性チューブおよびモータより構成される。
【００６５】
以上説明したように本実施形態は、冷却器１４、正の磁性材料を充填した筒状構造物１１、構造物１７、負の磁性材料を充填した筒状構造物１２、ポンプ１６および放熱器１５を直線上に配設する構成であるので、上述の従来の磁気冷凍機よりも単純な構成を実現することができる。また、本実施形態の構成により、磁石１３として円筒型磁石を切込みを入れることなしで用いることができる。
【００６６】
また、本実施形態において、正の磁性材料と負の磁性材料とが断熱状態で直線上に連結され、一方の磁性材料に磁場が印加され他方の磁性材料に磁場が印加されていない構成であるので、上述の背景技術と同様に、磁性材料または磁石の移動により一方の磁性材料が磁場空間から引き抜かれるときに必要な力は、もう一方の磁性材料が磁場空間に引き寄せられる力により相殺されるため、磁性材料または磁石の移動の際に必要な力は小さくなる。従って、図１１に示される構成の磁気冷凍機において必要である大きな電力を要する駆動装置を用いる必要が無くなる。
【００６７】
本実施形態の正の磁性材料は、実施形態１で述べたものと同様な磁性材料を用いることができる。また、本実施形態の負の磁性材料についても、実施形態１で述べたものと同様な磁性材料を用いることができる。
【００６８】
また、本実施形態において、実施形態２で述べたように、正の磁性材料および負の磁性材料を複数選択し、それぞれ、磁気熱量効果を示す温度が高い順に、放熱器から冷却器に向かって所定距離毎に並べて配置する構成をとっても良い。
【００６９】
また、本実施形態において、実施形態１で述べたように、多孔質の正の磁性材料および負の磁性材料を用いても良い。
【００７０】
また、本実施形態において、実施形態１で述べたように、構造物１７を配設しなくても良い。
【００７１】
さらに、本実施形態において、実施形態１で述べたように、磁石１３として、双極子磁場を発生させる対向型永久磁石等を用いても良い。
【００７２】
さらに、本実施形態において、実施形態１で述べたように、ポンプ１６は、筒状構造物１１と第２可動性チューブとの間等に配設されていても良い。
【００７３】
さらに、本実施形態において、熱交換媒体は、実施形態１で述べたものと同様な熱交換媒体を用いることができる。
【００７４】
本実施形態における磁気冷凍サイクルについては、図２において説明した磁気冷凍サイクルと同様であるので説明は省略し、本実施形態に特徴的な部分に関して説明する。
【００７５】
本実施形態では、正の磁性材料と負の磁性材料とに印加される磁場を変化させる行程を、磁石１３の移動ではなく、筒状構造物１１および筒状構造物１２とを磁場中で移動することにより行うことによって、筒状構造物１１に充填された正の磁性材料および筒状構造物１２に充填された負の磁性材料を交互に磁場印加することができる。
【００７６】
以上説明したように、本実施形態によれば、直線上に連結された正の磁気材料および負の磁気材料を磁場中を移動可能に構成され、またその直線上の一方端に冷却器を、他方端に放熱器を配設する構成であるので、正の磁性材料および負の磁性材料を磁場中で移動させるための大きな電力を要する駆動装置を必要とせず、単純な装置構成で冷却することが可能である。また２つ以上の冷却サイクルを同時に行うため、小型高性能な装置を得ることが可能である。
【００７７】
（実施形態４）
本実施形態は、磁性材料を用いた温度調節装置として、正の磁性材料と負の磁性材料とを用いた磁気冷凍機において、磁石の回転により正の磁性材料と負の磁性材料とに印加される磁場を変化させるものである。
【００７８】
図６（ａ）は本実施形態に係る円筒型磁場発生器、（ｂ）および（ｃ）は、本実施形態に係る円筒型磁場発生器の磁場方向を示す図である。同図において、本実施形態に係る円筒型磁場発生器は、固定された第１円筒型磁石に対して、同心状で内側に回転可能な第２円筒型磁石が設置されることによって構成されている。第１円筒型磁石および第２円筒型磁石の磁場方向は、同図中の矢印方向である。第２円筒型磁石は円周方向に自由に回転可能であるので、図６（ａ）中の角度αを変えることによって、円筒型磁場発生器の内部の磁場を可変に制御することができる。第２円筒型磁石を回転することによって図６（ｂ）に示すように、第１および第２円筒型磁石の磁場方向を一致させると、円筒型磁場発生器の内部の磁場は最強磁場になる。また、このとき発生する回転トルクはほぼゼロになる。逆に、第２円筒型磁石を回転させることによって図６（ｃ）に示すように、第１および第２円筒型磁石の磁場方向をちょうど反対方向、すなわちαを１８０°とすると、円筒型磁場発生器の内部の磁場はゼロ磁場になる。また、このとき発生するトルクもほぼゼロになる。以上のように、第２円筒型磁石を回転することによって、円筒型磁場発生器の内部の磁場を制御することができる。さらに、最強磁場であるときに円筒型磁場発生器と、ゼロ磁場であるときの円筒型磁場発生器とを連結すると、双方の円筒型磁場発生器にかかる回転トルクは、ほぼゼロであり、その状態から、同じ割合で双方の第２円筒型磁石を回転させても、双方の回転トルクはちょうど打ち消しあう。従って、このとき、双方の円筒型磁場発生器の第２円筒型磁石を回転するのに必要な力は小さくなる。
【００７９】
図７は、本実施形態にかかる磁気冷凍機を示す図である。同図において、粒状の正の磁性材料を充填した筒状構造物２１と粒状の負の磁性材料を充填した筒状構造物２２とは直線上に磁性材料が充填されていない筒状の構造物２８を介して連結されている。構造物２８の内部には、筒状構造物２１および筒状構造物２２に充填される磁性材料以外の磁性材料で充填されていても良いが、このときの構造物２８に充填される磁性材料の磁気熱量効果は、筒状構造物２１および筒状構造物２２に充填される磁性材料の磁気熱量効果に比べて十分に小さいことが望ましい。また、構造物２８の内部の容積は、筒状構造物２１および筒状構造物２２の充填された磁性材料が占める容積以外の容積に対して十分に小さい。円筒型磁場発生器２３は、連結された筒状構造物２１と同心状となり、筒状構造物２１を覆うように配置されている。また、円筒型磁場発生器２４は、連結された筒状構造物２２と同心状となり、筒状構造物２２を覆うように配置されている。円筒型磁場発生器２３および２４は、それらの磁場を制御するための図示していないモータに接続されている。モータの制御によって、一方の円筒型磁場発生器が最強磁場のときは、他方の円筒型磁場発生器はゼロ磁場にすることができる。筒状構造物２１と筒状構造物２２とが連結された直線上の一方端に冷却器２５は配設され、他方端に放熱器２６が配設されている。熱交換媒体の移動源であるポンプ２７は、冷却器２５と筒状構造物２１、筒状構造物２２と放熱器２６とを結ぶ直線上に筒状構造物２２と放熱器２６との間に配設されている。直線上に連結された冷却器２５、筒状構造物２１、構造物２８、筒状構造物２２、ポンプ２７および放熱器２６の内部には熱交換媒体として水とエタノールとの混合物が充填されている。円筒型磁場発生器２３および２４の磁場の制御と熱交換媒体の移動との同期に必要なモータとポンプ２７との同期は、不図示の同期手段によって制御されている。以上の構成において、冷却器２５と放熱器２６との間を図示していない断熱材で覆うことにより、磁気冷凍サイクルを断熱状態で行うことができる。
【００８０】
以上説明したように本実施形態は、冷却器２５、正の磁性材料を充填した筒状構造物２１、構造物２８、負の磁性材料を充填した筒状構造物２２、ポンプ２７および放熱器２６を直線上に配設する構成であるので、上述の従来の磁気冷凍機よりも単純な構成を実現することができる。また、本実施形態の構成により、円筒型磁場発生器２３および２４に切込みを入れることなしで用いることができる。
【００８１】
本実施形態の正の磁性材料は、実施形態１で述べたものと同様な磁性材料を用いることができる。また、本実施形態の負の磁性材料についても、実施形態１で述べたものと同様な磁性材料を用いることができる。
【００８２】
また、本実施形態において、実施形態２で述べたように、正の磁性材料および負の磁性材料を複数選択し、それぞれ、磁気熱量効果を示す温度が高い順に、放熱器から冷却器に向かって所定距離毎に並べて配置する構成をとっても良い。
【００８３】
また、本実施形態において、実施形態１で述べたように、多孔質の正の磁性材料および負の磁性材料を用いても良い。
【００８４】
また、本実施形態において、実施形態１で述べたように、構造物２８を配設しなくても良い。
【００８５】
さらに、本実施形態において、筒状構造物２１に対して円筒型磁場発生器２３を、筒状構造物２２に対して円筒型磁場発生器２４を用いたが、１つの円筒型磁場発生器内に、筒状構造物２１および筒状構造物２２を同心状に設置し、筒状構造物２１に磁場を印加する部分の第２円筒型磁石と、筒状構造物２２に磁場を印加する部分の第２円筒型磁石とを独立に回転できる構成の円筒型磁場発生器を用いても良い。
【００８６】
さらに、本実施形態において、実施形態１で述べたように、ポンプ２７は、筒状構造物２１と冷却器２５との間等に配設されていても良い。
【００８７】
さらに、本実施形態において、熱交換媒体は、実施形態１で述べたものと同様な熱交換媒体を用いることができる。
【００８８】
図８（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る磁気冷凍機の冷凍サイクルを示す図である。
【００８９】
図８（ａ）において、円筒型磁場発生器２３は最強磁場を印加しているので、筒状構造物２１中の正の磁性材料の温度は上昇し、熱交換媒体を加熱する。このとき、円筒型磁場発生器２４はゼロ磁場であるので、筒状構造物２２中の負の磁性材料の温度も上昇し、熱交換媒体を加熱する。ポンプ２７を放熱器２６へ熱交換媒体を移動させるように動作させ、加熱された熱交換媒体を筒状構造物２２から放熱器２６へ、また筒状構造物２１から筒状構造物２２へと移動させる。放熱器２６に移動した、加熱された熱交換媒体は、放熱器２６で外界に放熱され、熱交換媒体の温度は下がる。また、筒状構造物２１で加熱された熱交換媒体は、発熱した筒状構造物２２より温度が低く、ポンプ２７により筒状構造物２２に移動することで筒状構造物２２中の負の磁性材料を冷却する。また、同様に冷却器２５に存在した熱交換媒体は筒状構造物２１に移動し、発熱した筒状構造物２１中の正の磁性材料を冷却する。この第５行程により、温度の高いほうから、放熱器２６、筒状構造物２２、筒状構造物２１、冷却器２５の順に温度の勾配が形成される。
【００９０】
次いで、図８（ｂ）に示されるように、円筒型磁場発生器２３はゼロ磁場であるので、筒状構造物２１中の正の磁性材料の温度は低下し、熱交換媒体を冷却する。このとき、円筒型磁場発生器２４は、最強磁場を印加しているので、筒状構造物２２中の負の磁性材料の温度は低下し、熱交換媒体を冷却する。このとき、ポンプ２７を冷却器２５へ熱交換媒体を移動させるように動作させ、冷却された熱交換媒体を筒状構造物２１から冷却器２５へ、また筒状構造物２２から筒状構造物２１へと移動させる。冷却器２５に移動した、冷却された熱交換媒体により、冷却器２５の被冷却物は冷却される。筒状構造物２２中の負の磁性材料により冷却された熱交換媒体は筒状構造物２１中の正の磁性材料より温度が高く、ポンプ２７により筒状構造物２１に移動することで筒状構造物２１中の磁性材料の温度を上昇させる。また、放熱器２６で放熱した後の熱交換媒体は筒状構造物２２に移動し、筒状構造物２２中の負の磁性材料の温度を上昇させる。この第６行程により、温度の高いほうから、放熱器２６、筒状構造物２２、筒状構造物２１、冷却器２５の順に温度の勾配が形成される。
【００９１】
以上の第５行程および第６行程をサイクルとして実行することにより、放熱器２６、筒状構造物２２、筒状構造物２１、冷却器２５と順に形成される温度勾配を定常的なものとし、常に冷却器２５により被冷却物を冷却することができる。
【００９２】
以上説明したように、本実施形態によれば、直線上に連結された正の磁気材料および負の磁気材料を覆うように円筒型磁場発生器を配置し、またその直線上の一方端に冷却器を、他方端に放熱器を配設する構成であるので、単純な装置構成で冷却することが可能である。また、一方の円筒型磁場発生器が最強磁場のとき、他方の円筒型磁場発生器はゼロ磁場であるように２つの円筒型磁場発生器を連結しているので、それぞれの第２円筒型磁石を回転させる際の回転トルクを小さくすることができる。また２つ以上の冷却サイクルを同時に行うため、小型高性能な装置を得ることが可能である。
【００９３】
（実施形態５）
本実施形態は、磁性材料を用いた温度調節装置として、正の磁性材料と負の磁性材料とを用いた磁気冷凍機において、磁性材料の回転により冷却を行うものである。
【００９４】
図９は、本実施形態に係る正の磁性材料および負の磁性材料を充填した筒状構造物の断面を示す図である。
【００９５】
図９において、領域９１には、粒状の負の磁性材料が充填され磁化容易軸は矢印９４の方向であり、領域９２には、粒状の正の磁性材料が充填され磁化容易軸は矢印９２の方向である。同図において、磁場印加方向９３に対して領域９１中の負の磁性材料の磁化容易軸は平行であるので、領域９１中の負の磁性材料は磁化される。一方、磁場印加方向９３に対して領域９２中の正の磁性材料の磁化容易軸は垂直であるので、領域９２中の正の磁性材料は磁化されない。このとき、領域９１中の負の磁性材料の温度は低下し、また領域９２中の正の磁性材料の温度も低下する。すなわち、筒状構造物中の温度は低下する。逆に、磁場印加方向９３に対して領域９１中の負の磁性材料の磁化容易軸は垂直であると、領域９１中の負の磁性材料は磁化されず、磁場印加方向９３に対して領域９２中の正の磁性材料の磁化容易軸が平行であると、領域９２中の正の磁性材料は磁化される。このとき、領域９１中の負の磁性材料の温度は上昇し、また領域９２中の正の磁性材料の温度も上昇する。すなわち、筒状構造物中の温度は上昇する。このように、磁場方向に対して、負の磁性材料の磁化容易軸（または正の磁性材料の磁化容易軸）を平行および垂直にする制御をすることによって、筒状構造物に充填された正の磁性材料および負の磁性材料の温度の制御を行うことが可能である。また、同図の構成であれば、筒状構造物を回転するときの回転トルクを小さくすることができる。
【００９６】
図１０は、本実施形態に係る磁性材料を用いた磁気冷凍機を示す図である。同図において、図９で説明した筒状構造物３１の一方端は冷却器３３と接続されており、他方端は、放熱器３４と連結されている。また、筒状構造物３１は、不図示のモータに接続されており、このモータが駆動することによって、後述の磁石３２の磁場方向に対する筒状構造物中の負の磁性材料の磁化容易軸方向の平行、垂直制御を行う。磁石３２は、円筒形状を有するハルバックシリンダと呼ばれる円筒型永久磁石であり、この円筒内部に筒状構造物３１を収納している。熱交換媒体の移動源であるポンプ３５は、放熱器３４と筒状構造物３１との間に配設されている。直線上に連結された冷却器３３、筒状構造物３１、ポンプ３５および放熱器３４の内部には熱交換媒体として水とエタノールとの混合物が充填されている。筒状構造物３１の回転と熱交換媒体の移動との同期に必要なモータとポンプ３５との同期は、不図示の同期手段によって制御されている。以上の構成において、冷却器３３と放熱器３４との間を図示していない断熱材で覆うことにより、磁気冷凍サイクルを断熱状態で行うことができる。
【００９７】
本実施形態の回転手段は、モータより構成されている。
【００９８】
以上説明したように本実施形態は、冷却器３３、筒状構造物３１、ポンプ３５および放熱器３４を直線上に配設する構成であるので、上述の従来の磁気冷凍機よりも単純な構成を実現することができる。また、本実施形態の構成により、磁石３２として円筒型磁石を切込みを入れることなしで用いることができる。
【００９９】
本実施形態の正の磁性材料は、実施形態１で述べたものと同様な磁性材料を用いることができる。また、本実施形態の負の磁性材料についても、実施形態１で述べたものと同様な磁性材料を用いることができる。
【０１００】
また、本実施形態において、実施形態２で述べたように、正の磁性材料および負の磁性材料を複数選択し、それぞれ、磁気熱量効果を示す温度が高い順に、放熱器から冷却器に向かって所定距離毎に並べて配置する構成をとっても良い。
【０１０１】
また、本実施形態において、実施形態１で述べたように、多孔質の正の磁性材料および負の磁性材料を用いても良い。
【０１０２】
また、本実施形態において、磁石３２の磁場方向に対して、筒状構造物３１中の負の磁性材料の磁化容易軸方向から平行、垂直制御を行ったが、それに限らず、筒状構造物３１中の正の磁性材料の磁化容易軸方向によって並行、垂直制御を行っても良い。また、筒状構造物３１を固定し、磁石３２を回転することにより磁場印加方向を、筒状構造物中の負の磁性材料の磁化容易軸（または正の磁性材料の磁化容易軸）に対して平行、垂直制御をするような構成にしても良い。
【０１０３】
さらに、本実施形態において、実施形態１で述べたように、磁石３２として、双極子磁場を発生させる対向型永久磁石等を用いても良い。
【０１０４】
さらに、本実施形態において、実施形態１で述べたように、ポンプ３５は、筒状構造物３１と冷却器３３との間等に配設されていても良い。
【０１０５】
さらに、本実施形態において、熱交換媒体は、実施形態１で述べたものと同様な熱交換媒体を用いることができる。
【０１０６】
本実施形態における磁気冷凍サイクルについては、図２において説明した磁気冷凍サイクルと同様であるので説明は省略し、本実施形態に特徴的な部分に関して説明する。
【０１０７】
磁石３２による磁場方向に対して筒状構造物３１中の負の磁性材料の磁化容易軸方向が垂直の場合、筒状構造物３１中の負の磁性材料は、ほとんど磁化されないので、温度が上昇し、熱交換媒体を加熱する。このとき、磁場方向に対して筒状構造物３１中の正の磁性材料の磁化容易軸は平行であるので、筒状構造物３１中の正の磁性材料は、磁化され、温度が上昇し、熱交換媒体を加熱する。このとき、ポンプ３５を放熱器３４へ熱交換媒体を移動させるように動作させ、加熱された熱交換媒体を筒状構造物３１から放熱器３４へ移動させる。放熱器３４に移動した、加熱された熱交換媒体は、放熱器３４で外界に放熱され、熱交換媒体の温度は下がる。また、冷却器３３に存在した熱交換媒体は筒状構造物３１に移動し、発熱した筒状構造物３１中の正の磁性材料および負の磁性材料を冷却する。この第７行程により、温度の高いほうから、放熱器３４、筒状構造物３１、冷却器３３の順に温度の勾配が形成される。
【０１０８】
次いで、筒状構造物３１を回転し、磁石３２による磁場方向に対して筒状構造物３１中の負の磁性材料の磁化容易軸を平行にすると、筒状構造物３１中の負の磁性材料は、磁化され、温度が低下し、熱交換媒体を冷却する。このとき、磁場方向に対して筒状構造物２１中の正の磁性材料の磁化容易軸は垂直であるので、筒状構造物３１中の正の磁性材料は、ほとんど磁化されず、温度が低下し、熱交換媒体を冷却する。このとき、ポンプ３５を冷却器３３へ熱交換媒体を移動させるように動作させ、冷却された熱交換媒体を筒状構造物３１から冷却器３３へ移動させる。冷却器３３に移動した、冷却された熱交換媒体により、冷却器３３の被冷却物は冷却される。また、放熱器３４で放熱した後の熱交換媒体は筒状構造物３１に移動し、筒状構造物３１中の正の磁性材料および負の磁性材料の温度を上昇させる。この第８行程により、温度の高いほうから、放熱器３４、筒状構造物３１、冷却器３４の順に温度の勾配が形成される。
【０１０９】
以上の第７行程および第８行程をサイクルとして実行することにより、放熱器３４、筒状構造物３１、冷却器３３と順に形成される温度勾配を定常的なものとし、常に冷却器３３により被冷却物を冷却することができる。
【０１１０】
以上説明したように、本実施形態によれば、正の磁気材料および負の磁気材料を直線上に連結しその直線上に磁石が移動可能に設けられ、その直線上の一方端に冷却器を、他方端に放熱器を配設する構成であるので、磁石を移動するために大きな電力を要する駆動装置を必要とせず、単純な装置構成で冷却することが可能である。また、その筒状構造物を磁場中で回転する際、回転トルクを小さくすることができる。また２つ以上の冷却サイクルを同時に行うため、小型高性能な装置を得ることが可能である。
【０１１１】
（実施形態６）
本実施形態では、磁性材料を用いた温度調節装置として、正の磁性材料と負の磁性材料とを用いた加熱装置について説明する。
【０１１２】
本実施形態に係る加熱装置において、正の磁性材料と負の磁性材料とが断熱状態で直線上に連結され、一方の磁性材料に磁場が印加され他方の磁性材料に磁場が印加されていない構成であるので、上述の背景技術と同様に、磁性材料または磁石の移動により一方の磁性材料が磁場空間から引き抜かれるときに必要な力は、もう一方の磁性材料が磁場空間に引き寄せられる力により相殺されるため、磁性材料または磁石の移動の際に必要な力は小さくなる。従って、図１１に示される構成の磁気冷凍機において必要である大きな電力を要する駆動装置を用いる必要が無くなる。
【０１１３】
本実施形態における加熱装置の構成について、図１と同様であるので同じ符号を付すと共に説明は省略する。
【０１１４】
本実施形態において、磁石３が筒状構造物１中の正の磁性材料に最大磁場を印加している状態から、筒状構造物２の方向へ移動すると、筒状構造物１中の正の磁性材料への印加磁場は減少する。最終的に磁石３は筒状構造物２に完全に移動し、筒状構造物１中の正の磁性材料に印加される磁場の強度は最小またはゼロになる。この過程で正の磁性材料の温度は低下し、熱交換媒体は冷却される。一方、同時に筒状構造物２中の負の磁性材料への印加磁場が増加し、磁石３が完全に筒状構造物２Ａへ移動すると、筒状構造物２Ａ中の負の磁性材料への印加磁場が最大になる。この過程で負の磁性材料の温度は低下し、熱交換媒体は冷却される。このとき、ポンプ６を図１の右向き、すなわち冷却器４へ熱交換媒体を移動させるように動作させ、冷却された熱交換媒体を筒状構造物１から冷却器４へ、また筒状構造物２から筒状構造物１へと移動させる。冷却器４に移動した、冷却された熱交換媒体は冷却器４を冷却し、その熱交換媒体の温度は上昇する。筒状構造物中の負の磁性材料により冷却された熱交換媒体は筒状構造物1中の正の磁性材料より温度が高く、ポンプ６により筒状構造物１に移動することで正の磁性材料の温度を上昇させる。また、放熱器５より移動された熱交換媒体によって、筒状構造物２中の負の磁性材料の温度は上昇する。この第９行程により、温度の高いほうから、放熱器５、筒状構造物２、筒状構造物１、冷却器４の順に温度の勾配が形成される。
【０１１５】
ついで、磁石３が筒状構造物２中の負の磁性材料に最大磁場を印加している状態から、筒状構造物１の方向へ移動すると、筒状構造物２中の負の磁性材料への印加磁場は減少する。最終的に磁石３は筒状構造物１に完全に移動し、筒状構造物２中の負の磁性材料へ印加される磁場の強度は最小またはゼロになる。この過程で負の磁性材料の温度は上昇し、熱交換媒体を加熱する。一方、同時に筒状構造物１中の正の磁性材料への印加磁場は増加し、磁石３が完全に筒状構造物１に移動すると、筒状構造物１中の正の磁性材料への印加磁場が最大になる。この過程で正の磁性材料の温度は上昇し、熱交換媒体を加熱する。このとき、ポンプ６を図１の左向き、すなわち放熱器５へ熱交換媒体を移動させるように動作させ、加熱された熱交換媒体を筒状構造物２から放熱器５へ、また筒状構造物１から筒状構造物２へと移動させる。放熱器５に移動した、加熱された熱交換媒体により、放熱器５の被加熱物を加熱する。また、筒状構造物１中の正の磁性材料により加熱された熱交換媒体は、発熱した筒状構造物２中の負の磁性材料より温度が低く、ポンプ６により筒状構造物２に移動することで負の磁性材料を冷却する。また、同様に冷却器４に存在した熱交換媒体は筒状構造物１に移動し、発熱した筒状構造物中の正の磁性材料を冷却する。この第１０行程により、温度の高いほうから、放熱器５、筒状構造物２、筒状構造物１、冷却器４の順に温度の勾配が形成される。
【０１１６】
以上の第９行程および第１０行程をサイクルとして実行することにより、放熱器５、筒状構造物２、筒状構造物１、冷却器４と順に形成される温度勾配を定常的なものとし、常に放熱器５により被加熱物を加熱することができる。
【０１１７】
以上説明したように、本実施形態によれば、正の磁気材料および負の磁気材料を直線上に連結しその直線上に磁石が移動可能に設けられ、その直線上の一方端に冷却器を、他方端に放熱器を配設する構成であるので、磁石を移動するために大きな電力を要する駆動装置を必要とせず、単純な装置構成で加熱することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁性材料を用いた磁気冷凍機を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る磁気冷凍機による冷凍サイクルを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る正の磁性材料としてMnAsを、負の磁性材料としてFe0.49Rh0.51を用いた磁気冷凍機を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る磁性材料を用いた磁気冷凍機を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る磁性材料を用いた磁気冷凍機を示す図である。
【図６】（ａ）は本発明の一実施形態に係る円筒型磁場発生器、（ｂ）および（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る円筒型磁場発生器の磁場方向を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる磁気冷凍機を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る磁気冷凍機の冷凍サイクルを示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る正の磁性材料および負の磁性材料を充填した筒状構造物の断面を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る磁性材料を用いた磁気冷凍機を示す図である。
【図１１】従来の磁気冷凍機を示す図である。
【図１２】従来の磁気冷凍機を示す図である。
【図１３】従来の磁気冷凍機を示す図である。
【図１４】従来の磁気冷凍機を示す図である。
【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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