(57)【要約】  本発明は、異なるキュリー温度ＴＣを有する連続の磁気熱量材料層を含む磁気熱量カスケードであって、  −  前記磁気熱量材料層は、低温側外層、高温側外層、及び前記低温側外層と前記高温側外層との間にある少なくとも３層の内層を含み、  −  前記磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量材料層のそれぞれの対について、各交差温度が存在し、ここで、両方の各隣接磁気熱量材料層のエントロピーパラメーターｍΔＳは同一の交差点値を取り、エントロピーパラメーターｍΔＳは、前記各磁気熱量材料層の質量ｍと、前記各磁気熱量材料層の磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化量ΔＳとの積として定義され、  −  前記内層のうち少なくとも２層は、互いに異なる質量ｍを有し、  −  隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターｍΔＳの全ての交差点値は、前記磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±１５％の幅の範囲内にある、  磁気熱量カスケードに関する。
2018507378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なるキュリー温度ＴＣを有する連続の磁気熱量材料層を含む磁気熱量カスケードであって、
−  前記磁気熱量材料層は、低温側外層、高温側外層、及び前記低温側外層と前記高温側外層との間にある少なくとも３層の内層を含み、
−  前記磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量材料層のそれぞれの対について、各交差温度が存在し、ここで、両方の各隣接磁気熱量材料層のエントロピーパラメーターｍΔＳは同一の交差点値を取り、エントロピーパラメーターｍΔＳは、前記各磁気熱量材料層の質量ｍと、前記各磁気熱量材料層の磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化量ΔＳとの積として定義され、
−  前記内層のうち少なくとも２層は、互いに異なる質量ｍを有し、
−  隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターｍΔＳの全ての交差点値は、前記磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±１５％の幅の範囲内にある、
磁気熱量カスケード。
【請求項２】
隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターｍΔＳの全ての交差点値が、前記磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±１０％の幅の範囲内にある、請求項１に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項３】
前記低温側外層とその隣接低温側内層によって構成される低温側外層対、又は前記高温側外層とその隣接高温側内層によって構成される高温側外層対、又は前記高温側外層と前記低温側外層との対が、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±１５％の幅の範囲内にある、エントロピーパラメーターｍΔＳの交差点値を示す、請求項１に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項４】
−  前記磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量層のそれぞれの対が、それらの各キュリー温度間における各キュリー温度差ΔＴＣを有し、更に、
−  前記高温側外層、又は前記低温側外層、又は前記高温側外層及び前記低温側外層両方が、前記内層のいずれと比較しても、より大きな、エントロピーパラメーターｍΔＳの最大値とキュリー温度差ΔＴＣとの比ｍΔＳ最大／ΔＴＣを示す、
請求項１又は２に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項５】
前記高温側外層又は前記低温側外層が、前記内層のいずれと比較しても、少なくとも１％大きい量の比ｍΔＳ最大／ΔＴＣを示す、請求項４に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項６】
前記高温側及び低温側外層の一方が、他方よりも大きな量の比ｍΔＳ最大／ΔＴＣを有し、前記高温側及び低温側外層の他方が、前記内層のいずれよりも大きな量の比ｍΔＳ最大／ΔＴＣを有する、請求項４に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項７】
前記高温側層又は前記低温側層が、前記内層のいずれと比較しても、より小さな量のΔＴＣを示す、請求項４に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項８】
前記高温側層又は前記低温側層が、０．５Ｋ以上である量のΔＴＣを示す、請求項７に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項９】
前記高温側外層、又は前記低温側外層、又は前記高温側外層及び前記低温側外層両方が、それぞれ、少なくとも２層の高温側下位層又は低温側下位層の連続の下位層を含む、請求項１から８のうち少なくとも一項に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項１０】
請求項１から９のうち少なくとも一項に記載の磁気熱量再生器。
【請求項１１】
請求項１０に記載の磁気熱量再生器を備えるヒートポンプ。
【請求項１２】
−  前記高温側外層と熱交換する高温側界面、
−  前記低温側外層と熱交換する低温側界面、及び
−  磁気熱量カスケードを介して前記高温側界面と前記低温側界面との間に熱伝達流体の流れを提供するように構成された熱伝達システムであって、
前記高温側外層のキュリー温度が前記ヒートポンプ動作時に前記高温側界面の温度よりも高くなるように選択されるか、前記低温側外層のキュリー温度が前記ヒートポンプ動作時に前記低温側界面の温度よりも低くなるように選択される、熱伝達システム
を更に備える、請求項１１に記載のヒートポンプ。
【請求項１３】
−  異なるキュリー温度ＴＣを有する異なる連続の磁気熱量材料層を製造する工程であって、前記磁気熱量材料層が、低温側外層、高温側外層、及び前記低温側外層と前記高温側外層との間にある少なくとも３層の内層を含む、工程と；
−  互いに異なる質量ｍを有する内層のうち少なくとも２層を製造する工程であって、
−  前記磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量材料層のそれぞれの対について、各交差温度が存在し、ここで、両方の各隣接磁気熱量材料層のポンピング能力エントロピーパラメーターｍΔＳは同一の交差点値を取り、エントロピーパラメーターｍΔＳは、前記各磁気熱量材料層の質量ｍと、前記各磁気熱量材料層の磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化量ΔＳとの積として定義され、
更に、
−  隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターｍΔＳの全ての交差点値は、前記磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±１５％の幅の範囲内にある、
工程と
を含む磁気熱量カスケードの製造方法。
【請求項１４】
−  請求項１に記載の磁気熱量カスケードを備える磁気熱量再生器を使用してヒートポンピングシーケンスを実行する工程
を含む、ヒートポンピング方法。
【請求項１５】
−  前記ヒートポンピングシーケンスが、前記磁気熱量再生器の温度上昇を含み、前記ヒートポンピングシーケンスが、前記高温側外層のキュリー温度よりも０．５Ｋ〜５Ｋ高い温度にて動作するヒートシンクとの熱交換において実行される、
請求項１４に記載のヒートポンピング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気熱量カスケード及び磁気熱量カスケードの製造方法に関する。本発明は更に、磁気熱量カスケードの使用を含む、磁気熱量再生器（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）、ヒートポンプ及びヒートポンピング（ｈｅａｔ−ｐｕｍｐｉｎｇ）方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料研究の進展により、磁気熱量効果（ＭＣＥ）は、冷却装置、プロセス工業における氷生成用冷却システム、及び空気調和装置系統などの、室温でさえの工業及び商業的用途のための公知の流体循環冷却方法に代わる、経済的に成り立つ代替案として浮かび上がっている。磁気熱量効果の別の用途分野は、電磁気発電機、即ち、熱から電気エネルギーへの変換におけるものである。
【０００３】
磁気熱量効果は、好適な磁気熱量材料に対する外部磁場の印加及びキュリー温度付近の周囲温度の下で発生する。印加された外部磁場は、磁気熱量材料のランダムに並んだ磁気モーメントを整列させ、従って、磁気相転移を引き起こす。このことは、周囲温度を超える材料のキュリー温度の上昇が誘発されたものと説明することもできる。この磁気相転移は、磁気エントロピーの減少を意味し、断熱プロセス（周囲温度からの熱的分離）において、フォノン生成による磁気熱量材料の結晶格子のエントロピー寄与の増大につながる。従って、外部磁場を印加した結果として、磁気熱量材料の加熱が発生する。
【０００４】
技術的冷却用途において、この追加熱は、型内の周囲ヒートシンク又は熱媒体への熱伝導により、前記材料から除去される。水は、磁気熱量材料からの熱除去に使用される熱媒体の一例である。その後に外部磁場を除去することは、キュリー温度が周囲温度未満に低下し、従って、磁気モーメントがランダム配置に戻ることとして説明できる。このことは、磁気エントロピーの増大と磁気熱量材料自体の結晶格子のエントロピー寄与の減少とを引き起こし、したがって、断熱プロセス条件において、磁気熱量材料の周囲温度未満への冷却をもたらす。磁化及び消磁を含む上記のプロセスサイクルは通常、装置適用時に周期的に実行される。
【０００５】
上記の冷却効果は、降下するキュリー温度を有する連続の層として、又は換言すれば、降下するキュリー温度ごとに連続する２層以上の磁気熱量材料層を含む磁気熱量カスケードとして、磁気熱量材料を設計することにより増大され得る。このような磁気熱量カスケードでは、第１の磁気熱量材料が、第２の磁気熱量材料を、第２の磁気熱量材料のキュリー温度に近い温度まで冷却し、カスケードに含まれる任意の更なる磁気熱量材料に対しても同様となる。このようにすると、得られる冷却効果は、単一の磁気熱量材料を使用する場合と比較して、大幅に増大され得る。
【０００６】
ＵＳ２００４／００９３８７７Ａ１は、室温又は室温付近で磁気熱量効果を示す磁気熱量材料、及びこのような磁気熱量材料を用いた磁気冷却装置を開示している。磁気熱量材料の異なる組成は、異なるキュリー温度を示す異なる磁気熱量材料、即ち、磁気相転移の異なる温度を生じる。磁気熱量材料は、変化する磁場に曝される第１及び第２の再生器ベッド（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｂｅｄ）内に配置される。再生器は磁気冷却装置の中核部を形成する。同様に、ＷＯ２００４／０６８５１２Ａ１及びＷＯ２００３／０１２８０１は、個々の成分又は個々の成分の相対量を変えることにより特定の組成の材料系から得られた、異なるキュリー温度を有する磁気熱量材料を記載している。
【０００７】
ＵＳ２０１１／００９４２４３は、異なるキュリー温度を有する少なくとも３種の異なる磁気熱量材料のカスケードから構成され、上昇又は降下するキュリー温度ごとに連続して配置され、中間熱及び／又は電気絶縁体により互いに隔離された熱交換器ベッドであって、隣接磁気熱量材料のキュリー温度の差は０．５〜６Ｋである、熱交換器ベッドを記載している。
【０００８】
ＵＳ８，１０４，２９３Ｂ２は、複数の熱的結合磁気熱量素子、流動媒体を含有する１個以上の貯蔵容器、及び２個の熱交換器を備える、磁気熱量冷却装置を開示している。熱交換器は、磁気熱量素子と熱的に結合し、流動媒体により磁気熱量素子と環境との間で熱を移動させる少なくとも１個の貯蔵容器と熱的に結合している。
【０００９】
ＵＳ２０１１／０１７３９９３Ａ１は、上昇するキュリー温度に従って配置された、磁気熱量材料の少なくとも２つの隣接するセットを備える、磁気熱量素子を開示している。同じセット内の磁気熱量材料は、同じキュリー温度を有する。磁気熱量素子は、磁気熱量素子における２つの対向する高温端部と低温端部との間に温度勾配を生じさせる開始手段を更に含む。
【００１０】
ＷＯ２０１４／１１５０５７Ａ１は、降下するキュリー温度ごとに連続して配置された、異なるキュリー温度を有する少なくとも３種の異なる磁気熱量材料を含む磁気熱量カスケードであって、異なるキュリー温度を有する異なる磁気熱量材料のいずれも、最も高いキュリー温度を有する磁気熱量材料よりも高い層性能Ｌｐを持つことがない、磁気熱量カスケードを記載している。異なるキュリー温度を有する異なる磁気熱量材料の少なくとも１つは、最も高いキュリー温度を有する磁気熱量材料よりも低い層性能Ｌｐを有する。特定の磁気熱量材料層の層性能Ｌｐは、式：Ｌｐ＝ｍ＊ｄＴａｄ，最大（式中、ｄＴａｄ，最大は、磁気熱量サイクル中に低磁場から高磁場に磁化されるとき特定の磁気熱量材料が受ける最大断熱温度変化であり、ｍは、磁気熱量カスケードに含まれる特定の磁気熱量材料の質量である）に従って計算される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】ＵＳ２００４／００９３８７７
【特許文献２】ＷＯ２００４／０６８５１２
【特許文献３】ＷＯ２００３／０１２８０１
【特許文献４】ＵＳ２０１１／００９４２４３
【特許文献５】ＵＳ８，１０４，２９３
【特許文献６】ＵＳ２０１１／０１７３９９３
【特許文献７】ＷＯ２０１４／１１５０５７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の第１の態様に従えば、少なくとも３層の連続の磁気熱量材料層を含む磁気熱量カスケードが提供される。前記磁気熱量カスケードは、異なるキュリー温度ＴＣを有する連続の磁気熱量材料層を含み、ここで、
−  前記磁気熱量材料層は、低温側外層、高温側外層、及び前記低温側外層と前記高温側外層との間にある少なくとも３層の内層を含み、
−  前記磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量材料層のそれぞれの対について、それぞれの交差温度が存在し、ここで、両方の各隣接磁気熱量材料層のエントロピーパラメーターｍΔＳは同一の交差点値を取り、エントロピーパラメーターｍΔＳは、前記各磁気熱量材料層の質量ｍと、前記各磁気熱量材料層の磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化量ΔＳとの積として定義され、
−  前記内層のうち少なくとも２層は、互いに異なる質量ｍを有し、
−  隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターｍΔＳの全ての交差点値は、前記磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±１５％の幅の範囲内にある。磁気熱量カスケードは、以下において、簡潔さのために短縮してカスケードと称される場合がある。
【００１３】
パラメーターΔＳは、各磁気熱量材料層の磁気相転移時に得られる等温磁気エントロピー変化量の尺度である。等温磁気エントロピー変化量は、当該技術分野において公知の技法、例えば等温磁化データからの推測又は等磁場熱容量データからの推測により決定することができる。パラメーターΔＳは温度の関数である。パラメーターΔＳは、例えば、Ｊ／ｃｍ３／Ｋ、又はより一般的にＪ／ｋｇ／Ｋという単位において定量化される。簡略化のため、ある量が上記の文脈内で用いられる場合であっても、前記パラメーターは、本明細書において、｜｜ΔＳ｜｜ではなく、ΔＳと表される。パラメーターΔＳは、所与の磁気熱量材料層の特徴を数量化し、従って、磁気熱量カスケードの適切な設計により層ごとに個々に制御可能であるパラメーターを構成する。通常、等温磁気エントロピー変化の最大量ΔＳ最大は、所与の磁気熱量材料のキュリー温度ＴＣにおいて得られる。
【００１４】
所与の層のΔＳと質量の積は、単に本明細書内での参照を容易にするために、本明細書において「エントロピーパラメーター」と称される。ただし、これはエントロピーを定義することを意図したものではない。エントロピーパラメーターは、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化として説明することもできる。エントロピーパラメーターは、更に短縮して、ｍΔＳとも称される。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、高温側と低温側との間で熱を移動させる際の磁気熱量カスケードの性能改善のために、内層のエントロピーパラメーターｍΔＳの重要性を認識したものである。本発明は更に、実際の磁気熱量材料はそれぞれ、エントロピーパラメーターの個々の各温度依存性を有し、通常、それぞれの層ごとに、各キュリー温度において、個々の大域的最大量ｍΔＳ最大を示すことを認識したものである。本発明は、磁気熱量カスケードの内層全体にわたりエントロピーパラメーターｍΔＳを適切に調整することにより、磁気熱量カスケードのヒートポンピング能力の改善が可能であることを証明している。内層のうち少なくとも２層が互いに異なる質量ｍを有し、隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターｍΔＳの全ての交差点値が、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±１５％の幅の範囲内にあることを条件として、本発明は、公知の層設計と比較して改善したヒートポンピング能力を示す磁気熱量カスケードの層設計を提供する。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下において、本発明の第１の態様による磁気熱量カスケードの実施形態を説明する。
【００１７】
いくつかの実施形態において、隣接内層の全ての対のエントロピーパラメーターｍΔＳの交差点値の変動幅（ｍａｒｇｉｎ  ｏｆ  ｖａｒｉａｔｉｏｎ）は、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値を基準として、±１５％よりも更に小さい。いくつかの実施形態では、前記幅は±１０％であり、別の実施形態では、わずか±５％である。変動幅が小さいほど、高温側と低温側との間で熱を移動させる際に得られる磁気熱量カスケードの性能改善は大きくなる傾向がある。
【００１８】
磁気熱量カスケードは、磁気熱量材料層の任意の適切な組み合わせにより実現され得る。カスケード動作時に高いヒートポンピング能力を達成するには、カスケードの異なる磁気熱量材料層が、組み合わせたとき、可能な限り高く、加えて、同一であるか前述の幅の範囲内でのみ変動する値において、磁気熱量カスケード全体にわたるエントロピーパラメーターｍΔＳの交差点値をもたらす、各材料及び各質量を示すことが有利である。
【００１９】
異なる材料特性により、エントロピーパラメーターの温度依存性は、それらの各最大量ｍΔＳ最大及び幅が大きく相違し得る線形を示し、例えば、最大量ｍΔＳ最大を基準とする半値全幅（ＦＷＨＭ）として決定される。この点に関して磁気熱量カスケードの材料を適切に選択するには、カスケードの隣接層間のキュリー温度差ΔＴＣ（キュリー温度間隔とも称される。）を考慮に入れる。通常、カスケードの２層の隣接磁気熱量層間のキュリー温度間隔が小さいほど、それらの２層の層のエントロピーパラメーターの交差点値は高くなる。更に、エントロピーパラメーターｍΔＳの温度依存性を記述する関数を特徴づける幅の程度は、カスケード設計において隣接磁気熱量材料のエントロピーパラメーターの交差点値の量に影響を及ぼすための好適なパラメーターを構成する。例えば、所与のキュリー温度間隔について、適切な材料選択により２層の隣接層のうち少なくとも１つにおいてエントロピーパラメーターｍΔＳの温度依存性の半値全幅（full width at half maximum）（ＦＷＨＭ）を大きくすると、一般に、カスケード内の２種の隣接磁気熱量材料のエントロピーパラメーターの交差点値は高くなる（説明を簡潔にするため、最大量ｍΔＳ最大は変化しないと仮定する）。キュリー温度間隔及びＦＷＨＭは、材料の所与の離散集合からの材料選択のみによって決定できるわけではない。いくつかの材料系では、これらのパラメーターは、各磁気熱量層のために磁気熱量材料の好適な組成を選択することにより、準連続的に調整することができる。化学量論組成の範囲における異なる構成元素を包含する複数の材料系が公知となっている。例示的材料系は、ＭｎＦｅＰＡｓ、ＭｎＡｓＳｂ、及びＭｎＦｅＰＳｉＧｅである。このような材料系は、実質的に連続的なキュリー温度の有効範囲をもたらす。カスケード設計における特定の磁気熱量層に適したキュリー温度は、材料系内での材料の構成元素の適切な化学量論組成を設定することによって得ることができる。他方で、エントロピーパラメーターの温度依存性のＦＷＨＭの幅の広がりは、例えば、わずかに異なる化学量論組成を有する材料を単一層に混合することにより、又は等しい厚さ及び均質な組成の磁気熱量層の代わりに、わずかに異なる化学量論組成を有する下層構造を持つ磁気熱量材料層を提供することにより、達成することができる。
【００２０】
本発明のカスケードのいくつかの実施形態では、異なる材料系による磁気熱量層が、カスケード内で用いられる。これらの実施形態は、本発明に従うカスケード設計を実現する上で、特に高い設計融通性をもたらす。化学的組成又は化学量論組成に相違がある磁気熱量材料は、本発明の所与の実施形態に従って磁気熱量カスケードを実現することに関係するそれらの材料パラメーターが同一の値をとることを条件として、本開示の文脈において同一の材料として考えられることに留意されたい。
【００２１】
以下で、より詳細に考察される、いくつかの実施形態において、高温側外層及び低温側外層はいずれも、本発明に従い内層に適用される交差点値の必要条件を満たすわけではない。参照を明確にするため、これらの実施形態は、次の段落において第１群と称される。ただし、カスケードのその他の実施形態では、エントロピーパラメーターｍΔＳの交差点値に関して、この特定の設計を示すのは、内層のみであるわけではないことに留意されたい。加えて、（第２群の実施形態における）低温側外層とその隣接低温側内層によって構成される低温側外層対、又は（第３群の実施形態における）高温側外層とその隣接高温側内層によって構成される高温側外層対、又は（第４群の実施形態における）高温側及び低温側外層対もまた、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±１５％の幅の範囲内にある、エントロピーパラメーターｍΔＳの交差点値を示す。
【００２２】
前段落で言及した第１群から第３群の実施形態については、追加層設計措置により更なる動作改善が達成され得る。上記の文脈において、それ自体周知である通り、隣接磁気熱量層のそれぞれの対は、各キュリー温度間における各キュリー温度差ΔＴＣを有する。追加設計措置に従えば、高温側外層又は低温側外層は、内層のいずれと比較しても、より大きな、エントロピーパラメーターｍΔＳの最大値とキュリー温度差ΔＴＣとの比ｍΔＳ最大／ΔＴＣを示す。このタイプの実施形態による磁気熱量カスケードは、内層のいずれよりも大きな比率のｍΔＳ最大／ΔＴＣを有する、高温側外層又は低温側外層（又は両方）を提供することにより、公知の磁気熱量カスケードと比較して、ヒートポンプの磁気熱量再生器における磁気熱量カスケードの性能を更に改善させる。
【００２３】
パラメーターｍΔＳ最大は、エントロピーパラメーターｍΔＳの最大値を構成する。換言すれば、パラメーターｍΔＳ最大は、所与の質量ｍを有する各磁気熱量材料層の磁気相転移時に得られる、等温磁気エントロピー変化量の絶対最大値の尺度である。多くの磁気熱量材料にとって、等温磁気エントロピー変化の最大量は、所与の磁気熱量材料のキュリー温度ＴＣにおいて得られる。パラメーターｍΔＳ最大は、ΔＳの温度依存性の特徴的線形により、所与の質量及び所与の材料組成の所与の層について明瞭に定義される。従って、磁気熱量材料は単一のΔＳ最大のみを有する。一般に、異なる磁気熱量材料は、ΔＳ最大の異なる値を有する。所定の層の質量を変更することは、隣接層を基準としてエントロピーパラメーターｍΔＳの交差点値を調整するためだけでなく、最大値ｍΔＳ最大を調整するために行ってもよい。
【００２４】
パラメーターΔＴＣは、所与の層のキュリー温度と１層の隣接磁気熱量材料層との間の差を表す。本明細書では、印加される磁場がない状態で測定可能であるものとしての各キュリー温度が意味されている。キュリー温度ＴＣは、所与の磁気熱量層の特徴を数量化するパラメーターであるのに対して、パラメーターΔＴＣは、２層の所与の連続の層、即ち、カスケードの所与の層とその隣接磁気熱量層の特性を記述する。そのようなものであるから、パラメーターΔＴＣは、所与の個々の層にまたがるものである。パラメーターΔＴＣは、磁気熱量カスケードの層の順番の設計に関係する。
【００２５】
ΔＴＣの定義に関しては、簡略化のため、ある量が意味される場合でも、前記パラメーターは、｜｜ΔＴＣ｜｜ではなく、ΔＴＣにより表されることに留意されたい。更に、ΔＴＣの上記の定義には、一見して曖昧さが見られることもある。カスケードの内層の場合、１層の内層が、それぞれの側に１つずつ、２層の隣接層を有するため、原理的にパラメーターΔＴＣの２つの異なる値が決定され得る。しかし、カスケード内でΔＴＣのパラメーター値を比較する場合、カスケードに沿う２つの可能な方向のいずれかに沿ったΔＴＣの決定の順序があるため、上記のような曖昧さは生じない。決定の順序は、所与の適用事例（冷却又は加熱）に依存する、カスケードを通る熱の流れの方向に従うことが好適である。いずれの場合も、所与のカスケード全体にわたるΔＴＣの値のセットは、決定の順序に関係なく同一である。高温側層及び低温側層については、高温側層及び低温側層がカスケードの外層を構成するため、当然に１層の隣接層しかない。
【００２６】
実施形態でのカスケードの内層との比較で、カスケードの高温側層又は低温側層におけるパラメーターｍΔＳ最大／ΔＴＣを最大にすると、以下の実施例に更に示されるように、カスケード全体の性能は更に改善する。得られる効果は、ヒートポンプの高温側又は低温側に対面する各外端におけるカスケードの強化として説明することもできる。ｍΔＳ最大／ΔＴＣの比較的小さな差により、内層と比較して高温側又は低温側外層のいずれかにおいて、改善が既に達成されている。公知のカスケード設計と比較した場合の、磁気熱量カスケードのヒートポンピング能力に対する本実施形態の有利な効果は、特にカスケードの高温側と低温側との間の温度範囲が高くなるほど大きくなる。この温度範囲は通常、少なくとも近似的に、高温側外層と低温側外層との間でのキュリー温度の差に対応を見出す。所与の温度範囲の従来的設計と比較すると、上記の実施形態は、通常の温度範囲よりもかなり大きい温度差でも、改善した性能を有するヒートポンピングを実現している。
【００２７】
高温側外層又は低温側外層は、内層のいずれと比較しても、少なくとも１％大きい量の比ｍΔＳ最大／ΔＴＣを示すことが好ましい。他の実施形態において、ｍΔＳ最大／ΔＴＣは、高温側外層又は低温側外層において、少なくとも１層の内層のいずれよりも少なくとも５％大きい。別の実施形態では、パラメーターｍΔＳ最大／ΔＴＣは、高温側外層又は低温側外層において、少なくとも１層の内層のいずれよりも少なくとも１０％大きい。一実施形態において、高温側外層又は低温側外層は、内層のいずれと比較しても、少なくとも２０％大きい量の比ｍΔＳ最大／ΔＴＣを示す。更に他の実施形態において、高温側外層又は低温側外層は、１５０％以下の量の比ｍΔＳ最大／ΔＴＣを示し、他の実施形態では、内層のいずれと比較しても、１００％以下の大きさを示す。ヒートポンピング能力の改善は、比ｍΔＳ最大／ΔＴＣが高温側外層又は低温側外層において内層よりも高くなる百分率の増加にほぼ比例して大きくなる。しかし、エントロピーパラメーターの最大値ΔＳ最大がより高い磁気熱量材料を選択することにより前記比率を上げるには、所与の隣接層と比較して高い交差点値を達成するように選択された材料のΔＳの温度依存性の線幅（ＦＷＨＭ）に注意する必要がある。
【００２８】
磁気熱量カスケードの３つの代替実施形態において、カスケードの外層に関する前述の強化措置は、ａ）高温側外層のみ、ｂ）低温側外層のみ、又はｃ）高温側外層及び低温側外層両方に関係する。従って、高温側外層又は低温側外層が、内層のいずれと比較しても、より大きな比ｍΔＳ最大／ΔＴＣを示すと述べるとき、用語「又は」は、言及された３つの選択肢を全て含むものと理解されるべきである。
【００２９】
従って、３番目に言及された選択肢を表す磁気熱量カスケードのいくつかの実施形態では、高温側外層及び低温側外層は、比ｍΔＳ最大／ΔＴＣの同じ値を示す。このことにより、磁気熱量カスケードの性能に関して特に大きな改善が達成される。類似した実施形態において、高温側及び低温側外層の一方は、他方よりも高い量の比ｍΔＳ最大／ΔＴＣを有する。これら他の実施形態のいくつかにおいて、高温側及び低温側外層の一方は、少なくとも１層の内層のいずれよりも高い量の比ｍΔＳ最大／ΔＴＣを有する。
【００３０】
エントロピーパラメーターｍΔＳの最大量ΔＴＣ、即ち、ｍΔＳ最大／ΔＴＣを調整するために様々な措置を単独で又は相互に組み合わせて用いて、カスケードの好適な実施形態の設計を達成することができる。
【００３１】
いくつかの実施形態において実現されているそのような１つの措置は、内層のいずれと比較しても、ΔＳ最大の量を大きくすることである。ΔＳ最大の変動は、例えば、キュリー温度に関する所与の適用事例の必要条件を当然に考慮した、適切な材料選択によって達成され得る。このタイプの実施形態のいくつかの変種における高温側外層又は低温側外層は、内層のいずれと比較しても、少なくとも２％大きい量のΔＳ最大を示す。高温側外層又は低温側外層内で、内層のいずれと比較しても、少なくとも１０％大きいΔＳ最大の量を有する他の変種では、更に大きな効果が達成される。内層と比較した高温側外層又は低温側外層における上昇するΔＳ最大の上限は、内層のいずれと比較しても、約５０％である。
【００３２】
前記選択肢において又は上記措置と組み合わせて用い得る別の措置に従えば、高温側外層又は低温側外層は、内層のいずれと比較しても、より小さな量のΔＴＣを示す。それ自体公知である通り、磁気熱量材料の材料系において、ΔＴｃの変動は、例えば、化学量論組成、即ち、カスケードの所定の層を設計するための所与の材料系内の材料組成における構成元素の異なる画分の調整によって達成され得る。磁気熱量カスケードの更なる実施形態において、高温側層又は低温側層は、少なくとも１層の内層のいずれと比較しても、少なくとも０．２％小さい量のΔＴＣを示す。磁気熱量カスケードの別の実施形態において、高温側層又は低温側層は、少なくとも１層の内層のいずれと比較しても、少なくとも５％小さい量のΔＴＣを示す。ただし、好ましい量のΔＴＣの下限を基準として、高温側層又は低温側層は、０．２５Ｋ以上、好ましくは０．５Ｋ以上である、ΔＴＣの量を示すことが好ましい。
【００３３】
エントロピーパラメーターΔＳの交差点値に影響を及ぼすために、いくつかの実施形態において用いられる別の設計パラメーターは、温度依存性の線幅、例えば、Ｋの単位で定量される半値全幅（ｆｕｌｌ  ｗｉｄｔｈ  ａｔ  ｈａｌｆ  ｔｈｅ  ｍａｘｉｍｕｍ）量（ΔＳ最大）である。大きな線幅を高くし、従って、隣接磁気熱量層の所与の対の交差点値を高くするために、前記層の少なくとも１つにおいて異なる磁気熱量層の組み合わせを用いてもよい。いくつかのそのような実施形態では、連続の下位層、好ましくは、単一層と比較して連続の下位層又は混合の最大量ΔＳ最大を減少させないものを使用することができる。
【００３４】
外層のうち少なくとも１層の強さを更に高めるのに適した、このような一実施形態において、高温側外層又は低温側外層又はその両方は、それぞれ、少なくとも２層の高温側下位層又は低温側下位層の連続の下位層を含む。このようにすると、各外層内でのキュリー温度のグレーディング（ｇｒａｄｉｎｇ）を得ることができ、各外層でのヒートポンピング効果が更に改善する。
【００３５】
既に述べたように、パラメーター質量、ΔＳ最大及びΔＴＣのそれぞれは、交差点値を調整するために、及び／又はカスケードの高温側又は低温側外層及び／又はその隣接内層においてｍΔＳ最大／ΔＴＣの最大量を調整するために、層のいずれかにおいて、単独で又は組み合わせて、変更されてもよい。
【００３６】
磁気熱量カスケードの実施形態のいずれかにおいて使用するための材料が本明細書に記載の実施形態の各必要条件に従って選択され得る、磁気熱量材料系は、例えばＷＯ２０１４／１１５０５７Ａ１、１１頁２６行〜１４頁３１行に開示されている。公開ＷＯ２０１４／１１５０５７Ａ１全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。
【００３７】
本発明の第２の態様に従えば、本発明の第１の態様又はその実施形態のいずれか１つに従う磁気熱量カスケードを備える磁気熱量再生器が提供される。
【００３８】
磁気熱量再生器は、本発明の第１の態様による磁気熱量カスケードの利点を共有する。
【００３９】
磁気熱量再生器は、多くの異なる実施形態において実現され得る。これらの異なる実施形態のいくつかは、異なる各形状における第１の態様の磁気熱量カスケードを含む。いくつかの実施形態では、平面形状が用いられる。他の実施形態において、磁気熱量カスケードは、熱伝達流体を収容するための、磁気熱量カスケードを通って延びる１つ以上のチャネル、又は複数のマイクロチャネルを備える。磁気熱量発生器（ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）は、異なる各材料形状による磁気熱量材料層を含んでもよい。磁気熱量材料層は、いくつかの実施形態において、固体材料層又は多孔質磁気熱量材料層により構成される。他の実施形態において磁気熱量材料層は磁気熱量粒子により構成され、前記磁気熱量粒子は、異なる実施形態において球面形状、円盤形状などの非球面形状、又は不規則形状の配合材料である。異なる実施形態の球面形状粒子は、５０〜５００μｍの粒径を有し、いくつかの実施形態では、約１００μｍの粒径である。粒子層は、一般に、圧力下で結合物質を使用して形成される。現時点で好ましい実施形態において、再生器は、粒子層の充填ベッドを備える。
【００４０】
本発明の第３の態様に従い、本発明の第２の態様又はその実施形態のいずれか１つに従う磁気熱量再生器を備えるヒートポンプが提供される。ヒートポンプは、本発明の第２の態様による磁気熱量再生器の利点を共有する。
【００４１】
以下で、ヒートポンプの実施形態を説明する。
【００４２】
ヒートポンプの実施形態は、ヒートポンプ動作本体の温度上昇及び温度降下を含むポンピングシーケンス（ｐｕｍｐｉｎｇ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）を循環的に実行するように、適切に構成される。
【００４３】
更なる好適な実施形態のヒートポンプは、高温側外層と熱交換する高温側界面、低温側外層と熱交換する低温側界面、及び磁気熱量カスケードを介して前記高温側界面と前記低温側界面との間に熱伝達流体の流れを生じさせるように構成された熱伝達システムを更に備え、ここで、高温側外層のキュリー温度がヒートポンプ動作時に高温側界面の温度よりも高くなるように選択されるか、低温側外層のキュリー温度がヒートポンプ動作時に低温側界面の温度よりも低くなるように選択される。例えば、冷却用途では、低温側界面は冷却対象物と熱的に接触するように構成され、高温側界面はヒートシンクと熱的に接触するように構成される。
【００４４】
本発明の第４の態様に従えば、磁気熱量カスケードの製造方法が提供される。前記方法は、
−  異なるキュリー温度ＴＣを有する異なる連続の磁気熱量材料層を製造する工程であって、前記磁気熱量材料層が、低温側外層、高温側外層、及び前記低温側外層と前記高温側外層との間にある少なくとも３層の内層を含む、工程；
−  互いに異なる質量ｍを有する内層のうち少なくとも２層を製造する工程であって、
−  前記磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量材料層のそれぞれの対について、各交差温度が存在し、ここで、両方の各隣接磁気熱量材料層のポンピング能力エントロピーパラメーターｍΔＳは同一の交差点値を取り、エントロピーパラメーターｍΔＳは、前記各磁気熱量材料層の質量ｍと、前記各磁気熱量材料層の磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化量ΔＳとの積として定義され；
更に、
−  隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターｍΔＳの全ての交差点値は、前記磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±１５％の幅の範囲内にある、工程
を含む。
【００４５】
本発明の第４の態様による方法は、本発明の第１の態様による磁気熱量カスケードの文脈において上記の利点を達成する。前記方法の実施形態は、本発明の第１の態様の文脈において記載された実施形態の追加的特徴を更に含むように、カスケードを製造する工程を含む。
【００４６】
前記方法の一実施形態において、隣接磁気熱量層のそれぞれの対は、各キュリー温度間における各キュリー温度差ΔＴＣを有し、内層のいずれと比較しても、より大きな、エントロピーパラメーターｍΔＳの最大値とキュリー温度差ΔＴＣとの比ｍΔＳ最大／ΔＴＣを示すように、高温側外層又は低温側外層が作製される。
【００４７】
本発明の第５の態様に従えば、ヒートポンピング方法は、
−  本発明の第１の態様又はその実施形態のいずれか１つに従う磁気熱量カスケードを備える磁気熱量再生器を使用してヒートポンピングシーケンスを実行する工程
を含む。
【００４８】
以下では、ヒートポンピング方法の実施形態を説明する。
【００４９】
一実施形態において、ポンピングシーケンスは、ヒートシンクとの熱交換において実行される磁気熱量カスケードの温度上昇を含む。ポンピングシーケンスは、ヒートシンク温度よりも０．５〜５Ｋ高いキュリー温度を有する磁気熱量材料層である高温側外層を有する磁気熱量カスケードを使用して実行される。
【００５０】
更なる実施形態は、同封された特許請求の範囲に記載されている。
【００５１】
以下では、同封された図面を参照しながら更なる実施形態について説明する。
【００５２】
図１は、磁気熱量材料層について、エントロピーＳを、温度Ｔの関数として、線形単位（ジュール／ケルビン）と線形単位ケルビンによりプロットした図を示す。図に示された曲線は、ＳＴ曲線とも称される。図１は、単なる概略図であり、以下を説明することのみを目的としている。磁気熱量材料層は、異なる量の磁場の印加下で、異なるＳＴ曲線を示す。２つの例示的曲線Ａ及びＢは、Ｈ＝０（磁場の印加なし）及びＨ≠０（特定量の磁場の印加）の場合を示している。Ｈ＝０の場合のＳＴ曲線は、より高いエントロピーレベルにあることがわかるが、これは示された磁気熱量材料層の全エントロピーに対する磁気エントロピーの寄与がより大きいことによる。結晶格子と層の磁気熱量材料の電子により、エントロピーＳへの更なる寄与がもたらされる。磁場ベクトルの方向に沿った全磁気モーメントの配向につながる磁気熱量材料層の相転移を引き起こす程度に強い磁場の印加下で、所与の温度での磁気エントロピーは、ΔＳ最大の量だけ減少する。これにより温度上昇が生じる。断熱プロセスにおける温度上昇の最大値は、ΔＴａｄ，最大になり、図１に示されるようにΔＳ最大が観察される温度とは異なる温度で生じる。
【００５３】
以下では、図２〜図４を並行して参照する。図２は、磁気熱量再生器として使用され、従って、矢印１１で示される方向に熱を移動させるための冷却装置の動作本体として使用される、磁気熱量カスケード１０の一実施形態を示す。図３は、図２のカスケードの各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化ΔＳの温度依存性の説明図を示す。図４は、図２のカスケードの各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化（即ち、エントロピーパラメーター）の温度依存性の説明図を示す。
【００５４】
カスケード１０は、１２〜２０層の連続の磁気熱量材料層から構成される。特に、本実施例では、カスケードは低温側外層１２を有し、それに続いて複数の磁気熱量内層があり、それらのうち内層１４、１６及び１８が提供されている。更に、カスケードは高温側外層２０を有する。低温側外層１２とその隣接内層１４により構成される層対（１２、１４）は、本明細書において、低温側外層対とも称される。高温側外層２０とその隣接内層１８により構成される層対（１８、２０）は、本明細書において、高温側外層対とも称される。
【００５５】
１０層の連続の磁気熱量カスケードは、図３及び図４により説明される以下の特定の特徴を有する。まず、図３は、従来技術によるカスケードの各磁気熱量材料層の磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化ΔＳの温度依存性の概略図を示す。図３の図の基礎になる磁気熱量カスケードは、図２の構造に似た５層の磁気熱量材料層を有する。前記磁気熱量層は、１２’〜２０’として参照される。ただし、図３において参照される磁気熱量カスケードは、以下の説明から明らかになるように、従来技術による構造体である。
【００５６】
異なる磁気熱量材料層１２〜２０は同一の質量及び異なるのキュリー温度ＴＣを有し、図３において、対応する層の各参照ラベルという観点から、低温側外層１２’から高温側外層２０’まで連続に増加する値で、ＴＣ（１２）、ＴＣ（１４）、ＴＣ（１６）、ＴＣ（１８）及びＴＣ（２０）としてラベル付けされている。磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量材料層のそれぞれの対について、即ち、層対（１２、１４）、（１４、１６）、（１６、１８）及び（１８、２０）について、各交差温度Ｔ１’、Ｔ２’、Ｔ３’及びＴ４’が存在し、ここで、各磁気熱量材料層の磁気相転移における層質量と等温磁気エントロピー変化ΔＳとの積ｍΔＳは、両方の各隣接磁気熱量材料層で同一である。対応する交差点には、Ｃ１’、Ｃ２’、Ｃ３’及びＣ４’としてラベル付けされている。隣接内層の全ての対、即ち層対（１４、１６）及び（１６、１８）の平均交差点値ｍΔＳ’平均が、計算可能であり、図３のグラフに示されている。図３が示すように、交差点Ｃ１’、Ｃ２’、Ｃ３’及びＣ４’におけるｍΔＳの値は異なっている。特に、内層の対（１４、１６）及び（１６、１８）に対するＣ２’及びＣ３’のｍΔＳの交差点値は、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値ｍΔＳ’平均から±１５％の幅の外にある。平均交差点値ｍΔＳ’平均からの幅の上限及び下限は、図３において、ｍΔｓ’平均＋１５％及びｍΔｓ’平均−１５％とラベル付けされており、これらはｍΔｓ’平均＋０．１５＊ｍΔｓ’平均及びｍΔｓ’平均−０．１５＊ｍΔｓ’平均を意味する。この説明図は概略的なものであり、従って、縮尺通りに値を示していない場合があることに留意されたい。
【００５７】
対照的に、図４は、図２のカスケードの各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化（即ち、エントロピーパラメーター）の温度依存性の説明図を示す。各層のキュリー温度ＴＣ（１２）、ＴＣ（１４）、ＴＣ（１６）、ＴＣ（１８）及びＴＣ（２０）は、図３において参照されている従来技術によるカスケードのものと同一であることが仮定されている。ただし、これは単に説明を簡潔にすることを目的としている。図２の実施形態に対する図４に示されているように、カスケード１０の異なる層１２〜２０の材料及び質量は、本発明の実施形態を構成するように個々に調整されている。換言すれば、カスケード１０において、磁気熱量材料層のうち少なくとも２つは、互いに異なる質量ｍを有している。好適な材料選択及び層質量の設計により、質量加重エントロピー変化の同一の交差点値Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３及びＣ４、即ち上記で定義されたエントロピーパラメーターｍΔＳが得られる。より具体的には、個別磁気熱量材料層の質量ｍと各磁気熱量材料層の磁気相転移時のその等温磁気エントロピー変化量ΔＳとの積として定義される、エントロピーパラメーターｍΔＳは、交差温度Ｔ１、Ｔ２、並びにＴ３及びＴ４において同一であり、交差温度Ｔ１’、Ｔ２’、Ｔ３’及びＴ４’とは異なる。従って、本実施形態において、磁気熱量カスケード全体にわたるエントロピーパラメーターｍΔＳの全ての交差点値Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３及びＣ４は、完全に等しくなっている。他の実施形態において、これらの交差点値は、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値ｍΔＳ平均に対して±１５％の幅の範囲内で等しい。
【００５８】
隣接磁気熱量層を基準とするエントロピーパラメーターｍΔＳの全交差点値Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３及びＣ４は、実際に同一であることが、本実施形態の目立った特徴である。本発明に従えば、これは必要条件ではなく、本発明は、全ての内層が、隣接内層に関して、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対の全交差点値の平均値ｍΔＳ平均に厳密に等しいか±１５％の幅の範囲内にある、エントロピーパラメーターｍΔＳの交差点値を有することのみを要求する。以下で更に示されるように、本発明に従う更なる実施形態は、前述したｍΔＳ平均からの幅の外部に交差点値を示すように設計された、高温側及び低温側外層を有する。
【００５９】
本実施形態の更なる目立った特徴として、ｍΔＳの最大量は全ての層において等しい。ただし、これは必要条件ではない。
【００６０】
説明した設計に基づいて、カスケード１０は、ヒートポンピング用途において特に高い性能を達成している。
【００６１】
図５及び図６は、本発明に従う磁気熱量カスケードの２つの異なる実施形態による、２層の隣接磁気熱量材料層５２、５４及び６２、６４における磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化（即ち、エントロピーパラメーター）の温度依存性の説明図である。図５及び図６において参照される磁気熱量カスケードは、複数の磁気熱量層を備える。特に、内層対の全交差点値の平均値ｍΔＳ平均を基準とする交差点の等しさ又は幅に関する記載必要条件に従う、少なくとも３層の内層が提供される。ただし、カスケードの更なる層についてのこのような情報は、簡潔性の理由により図５及び図６では省略されている。２層の隣接磁気熱量材料層５２、５４及び６２、６４は、図示されているように、各外層対を構成している。換言すれば、層５２及び６２は高温側又は低温側外層であり、以下では短縮して外層と称される。各隣接層５４及び６４は、特許請求の範囲の表現で言う内層を構成する。
【００６２】
両方の実施形態の外層５２及び６２は、以下で説明するように、本発明のこれら２つの実施形態において強化されている。図５の実施形態において、外層５２は、隣接内層５４と比較して、エントロピーパラメーターｍΔＳの最大量ｍΔＳ最大がより高くなっている。外層５２のこの性質は、外層５２の好適な材料選択又は質量の好適な設定により実現され得る。隣接内層５４と比較してエントロピーパラメーターｍΔＳの最大量ｍΔＳ最大がより高くなる外層５２の材料及び／又は質量の選択は、ｍΔＳ最大の好適な実際量及びエントロピーパラメーターｍΔＳの温度依存性の半値全幅を仮定すれば、図５に示された２つの曲線のｍΔＳの交差点値Ｃ５を上昇させる傾向がある。図５の状況を実現する、いくつかの実施形態において、交差点値Ｃ５は、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値ｍΔＳ平均を基準として±１５％の幅の外部にある。他の実施形態において、交差点値Ｃ５は、完全な等しさを満たしたとしても、この幅の範囲内に収まる。
【００６３】
図６の実施形態において、外層６２は、隣接内層６４と比較して、エントロピーパラメーターｍΔＳの最大量ｍΔＳ最大が同じである。しかし、層の材料は、それらのキュリー温度間隔ΔＴＣが図５の実施形態と比較して小さくなるように選択されている。このことは、カスケード全体で個別に最も高い最大値を基準として、エントロピーパラメーターｍΔＳの交差点値Ｃ６が上昇することにもつながっている。外層６２とその隣接内層との間のキュリー温度差の選択は、エントロピーパラメーターｍΔＳの温度依存性の好適な半値全幅を仮定すれば、図５に示された２つの曲線のｍΔＳの交差点値Ｃ６を上昇させる傾向がある。図６の状況を実現する、いくつかの実施形態において、交差点値Ｃ６は、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値ｍΔＳ平均を基準として±１５％の幅の外部にある。他の実施形態において、交差点値Ｃ６は、完全な等しさを満たしたとしても、この幅の範囲内に収まる。
【００６４】
記載された両方の措置により、ヒートポンピング性能の改善が達成される。
【００６５】
以下では、図７〜図１４を参照しながらカスケードの更なる実施形態を考察する。
【００６６】
図７〜図１４は、Ｅｎｇｅｌｂｒｅｃｈｔ：「Ａ  Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ｍｏｄｅｌ  ｏｆ  ａｎ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」、ｈｔｔｐ：／／ｄｉｇｉｔａｌ．ｌｉｂｒａｒｙ．ｗｉｓｃ．ｅｄｕ／１７９３／７５９６に記載されたものに似た物理モデルを使用して実施された仮想実験の結果を示している。一次元モデルが用いられた。カスケードの磁気熱量材料の総質量は０．０２５ｋｇであった。ブロー当たり移送体積は４ｘ１０−６ｍ３であった。
【００６７】
前記仮想実験では、本実施形態により達成されるポンピング能力に対する有利な効果を実証するため、基準カスケードが使用された。特に、図７及び図１１に示される基準カスケードでは、全ての磁気熱量材料層が同じ質量を有している。
【実施例】
【００６８】
実施例１：
本発明によるものではなく、比較のみを目的として用いる、図７に従う基準カスケードについて、冷却能を定量した。基準カスケードは以下の特性を有する。基準カスケードは、図７に示される曲線の最大値に対応するキュリー温度を示す、６層の連続の磁気熱量層１’〜６’を含む。これらの層は同じ基準質量を有し、全磁気熱量層の総質量は０．０２５ｋｇである。ブロー当たり移送体積は４ｘ１０−６ｍ３となる。グラフ表示の簡略化のみを目的として、図７及び図８の曲線を決定するに当たり質量を層当たり１ｋｇと仮定した。図９及び図１０に示される実際の能力計算では、実際の質量を用いた。
【００６９】
温度の関数としてのエントロピーパラメーターの曲線の交差点は、表１に特定されるとおりである。
【００７０】
【表１】
2018507378.tif 000003
【００７１】
表１に示している偏差値は、交差点Ｃ１’〜Ｃ５’の平均値（９．１７Ｊ／Ｋ）を基準として計算した。
【００７２】
比較すると、図８に表されたカスケードは、異なる層１〜６において同じ磁気熱量材料を基礎としている。ただし、図８のカスケードの層のいくつかは、図７の基準カスケードの対応層とは異なる質量を有している。相対質量は表２に示され、ここで、質量１は、層の数（即ち６）で割った０．００２５ｋｇに対応している。各層は層１〜層６として番号を与えられており、これらは図７の基準カスケードの層１’（低温側外層）〜層６’（高温側外層）、及び図８の実施形態の層１（低温側外層）〜層６（高温側外層）を意味する。
【００７３】
【表２】
2018507378.tif 000004
【００７４】
表２に示されるように、図７の基準カスケードと比較して、図８の実施形態における層１、２、４、５及び６の質量の変化により、図８の実施形態において以下の交差点値が得られた。
【００７５】
【表３】
2018507378.tif 000005
【００７６】
表１に示されている偏差値は、交差点Ｃ１〜Ｃ５の平均値（８．６２Ｊ／Ｋ）を基準として計算した。
【００７７】
図７の基準カスケード、及び図８の本発明のカスケードの実施形態について、冷却能を定量した。図９は、高温側外層と低温側外層との間の温度範囲（ＴＳ）（単位：ケルビン）の関数として、図７及び図８のカスケードの冷却能（ＣＰ、単位：ワット）を示す図である。用いられている異なる記号は、異なるカスケードを表しており、図８の実施形態について得られたＣＰ値は正方形で表され、基準カスケード（図７）について得られたＣＰ値は菱形で表されている。図８の実施形態の冷却能は、全ての温度範囲について、図７の基準カスケードの冷却能よりも明らかに高い。図１０は、０〜２０Ｋの温度範囲ＴＳの範囲において、異なる温度範囲ＴＳ（単位：Ｋ）、即ちカスケードの低温側界面における異なる動作温度に対する、２３．９℃のカスケードの高温側界面の動作温度について、上記（図７）の基準カスケードの冷却能に関連して、図８の実施形態の冷却能改善（ＩＣＰ）（単位：％）を示している。各温度範囲を決定するために用いた温度値は、カスケードへ入る高温側及び低温側入口点で取得される。
【００７８】
図９及び図１０の図は、０〜２０Ｋの温度範囲ＴＳの全範囲において、図７の基準カスケードと比較して、図８の実施形態の磁気熱量カスケードの冷却能が大幅に改善していることを明らかに示している。この改善は全温度範囲で概ね同じである。
【００７９】
実施例２：
本発明によるものではなく、比較のみを目的として用いる、図１１に従う基準カスケードについて、冷却能を定量した。基準カスケードは以下の特性を有する。基準カスケードは、図１１に示される曲線の最大値に対応するキュリー温度を示す、５層の連続の磁気熱量層１’〜５’を含む。これらの層は同じ基準質量を有し、５つ全ての磁気熱量層の総質量は０．０２５ｋｇである。ブロー当たり移送体積は４ｘ１０−６ｍ３となる。前述のように、グラフ表示の簡略化のみを目的として、図１１及び図１２の曲線を決定するに当たり質量を層当たり１ｋｇと仮定した。図１３及び図１４に示される冷却能計算のために、層の数（即ち５）で割った０．０２５ｋｇという実際の質量を用いた。
【００８０】
温度の関数としての基準カスケードのエントロピーパラメーターの曲線の交差点は、表４に指定されるとおりである。
【００８１】
【表４】
2018507378.tif 000006
【００８２】
表１に示されている偏差値は、交差点Ｃ１’〜Ｃ４’の平均値（１１．２１Ｊ／Ｋ）を基準として計算した。
【００８３】
比較すると、図１２に表されたカスケードは、異なる層１〜５において同じ材料を基礎としている。ただし、図１２のカスケードの層のいくつかは、図１１の基準カスケードの対応層とは異なる質量を有している。相対質量は表２に示され、ここで、質量１は０．００２５ｋｇに対応している。各層は層１〜層５として番号を与えられており、これらは図１１の基準カスケードの層１’（低温側外層）〜層５’（高温側外層）、及び図１２の実施形態の層１（低温側外層）〜層５（高温側外層）を意味する。
【００８４】
【表５】
2018507378.tif 000007
【００８５】
表２に示されるように、層１、２及び３の質量の変化により、図１２の実施形態において以下の交差点値が得られた。
【００８６】
【表６】
2018507378.tif 000008
【００８７】
表１に示されている偏差値は、交差点Ｃ１〜Ｃ４の平均値（１１．６７Ｊ／Ｋ）を基準として計算した。
【００８８】
図１１の基準カスケード、及び図１２の本発明のカスケードの実施形態について、冷却能を定量した。図１３は、高温側外層と低温側外層との間の温度範囲（ＴＳ）（単位：ケルビン）の関数として、図１１及び図１２のカスケードの冷却能（ＣＰ、単位：ワット）を示す図である。用いられている異なる記号は、異なるカスケードを表しており、図１２の実施形態について得られたＣＰ値は正方形で表され、基準カスケード（図１１）について得られたＣＰ値は菱形で表されている。図１２の実施形態の冷却能は、６Ｋまでの全ての温度範囲について、図１１の基準カスケードの冷却能よりも明らかに高い。図１４は、０〜８Ｋの温度範囲ＴＳの範囲において、異なる温度範囲ＴＳ（単位：Ｋ）、即ちカスケードの低温側界面における異なる動作温度に対する、９．８℃のカスケードの高温側界面の動作温度について、上記（図１１）の基準カスケードの冷却能に関連して、図１２の実施形態の冷却能改善（ＩＣＰ）（単位：％）を示している。各温度範囲を決定するために用いた温度値は、カスケードへ入る高温側及び低温側入口点で取得される。
【００８９】
図１３及び図１４の図は、０〜６Ｋの温度範囲ＴＳの範囲において、図１１の基準カスケードと比較して、図８の実施形態の磁気熱量カスケードの冷却能が大幅に改善していることを明らかに示している。この改善はこの範囲の全温度範囲で同じである。
【００９０】
片側又は両側の２つ（又はそれ以上）の外層を改変して、層当たりの質量を大きくするか、キュリー温度間隔を小さくしたカスケードについては、結果は同様のものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】キュリー温度近傍にて磁気熱量材料を磁場に曝露する場合と曝露しない場合での、磁気エントロピーの温度依存性の相違を表す概略図を示す。
【図２】磁気熱量カスケードの実施形態を示す。
【図３】従来技術に従う、カスケードの各磁気熱量材料層の磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化ΔＳの温度依存性の説明図を示す。
【図４】図２のカスケードの各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化（即ち、エントロピーパラメーター）の温度依存性の説明図を示す。
【図５】磁気熱量カスケードの２つの異なる実施形態の一方による、２層の隣接磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化（即ち、エントロピーパラメーター）の温度依存性の説明図である。
【図６】磁気熱量カスケードの２つの異なる実施形態の他方による、２層の隣接磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化（即ち、エントロピーパラメーター）の温度依存性の説明図である。
【図７】本発明によらないカスケードの例示的実施例として用いられる基準カスケードの各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化（即ち、エントロピーパラメーター）の温度依存性の説明図を示す。
【図８】比較のために、本発明に従う実施形態の各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化（即ち、エントロピーパラメーター）の温度依存性の説明図を示す。
【図９】高温側外層と低温側外層との間の温度範囲（ＴＳ）（単位：ケルビン）の関数として、図７及び図８のカスケードの冷却能（ＣＰ、単位：ワット）を示す図である。
【図１０】高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲について図７の基準カスケードと比較した、図８の磁気熱量カスケードの実施形態の冷却能改善（ＩＣＰと略記）を表す図を示す。
【図１１】本発明によらないカスケードの例示的実施例として用いられる基準カスケードの各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化（即ち、エントロピーパラメーター）の温度依存性の説明図を示す。
【図１２】図１１との比較のために、本発明に従う実施形態の各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化（即ち、エントロピーパラメーター）の温度依存性の説明図を示す。
【図１３】高温側外層と低温側外層との間の温度範囲（ＴＳ）（単位：ケルビン）の関数として、図１１及び図１２のカスケードの冷却能（ＣＰ、単位：ワット）を示す図である。
【図１４】高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲について図１１の基準カスケードと比較した、図１２の磁気熱量カスケードの実施形態の冷却能改善（ＩＣＰと略記）を表す図を示す。
【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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【国際調査報告】
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