(57)【要約】  本発明は、異なるキュリー温度ＴＣを有する磁気熱量材料層の配列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、ここで、  −  前記高温側外層若しく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、内層のいずれと比較しても、より大きな比ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣを示し、ｍは各磁気熱量材料層の質量を表し、ΔＳｍａｘ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の最大量を表す、磁気熱量カスケードに関する。
2018507536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なるキュリー温度ＴＣを有する磁気熱量材料層の配列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、ここで、
−  前記高温側外層若しく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、内層のいずれと比較しても、より大きな比ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣを示し、ｍは各磁気熱量材料層の質量を表し、ΔＳｍａｘ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の最大量を表す、
磁気熱量カスケード。
【請求項２】
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ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣを示す、請求項１に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項３】
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ｍΔＳｍａｘ／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ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣを有する、請求項１に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項４】
前記高温側外層又は前記低温側外層が、その質量とΔＳｍａｘとの積ｍΔＳｍａｘの量を示し、前記ｍΔＳｍａｘの量は、前記内層のいずれと比較しても、少なくとも１０％大きい、請求項１に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項５】
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１に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項６】
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５に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項７】
前記高温側外層若しくは前記低温側外層、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下位層配列を含む、請求項１から６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８】
−  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；
−  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、
請求項１に記載の磁気熱量カスケード。
【請求項９】
異なる内層が、組み合わせたとき、磁気熱量カスケード全体にわたる内層のいずれにおいても取られる前記エントロピーパラメーターｍΔＳの大域的最大値の７０％以上において前記エントロピーパラメーターｍΔＳの各交差点値をもたらす各材料及び各質量を示す、請求項８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生じさせ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を有する異なる磁気熱量材料層の配列を製造する工程であって、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層のそれぞれの対は、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、ここで、
−  前記高温側外層若しく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、より大きな比ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣを示すように製造され、ｍは、各磁気熱量材料層の質量を表し、ΔＳｍａｘ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の最大量を表す、
工程を含む、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、磁気熱量再生器、ヒートポンプ及び磁気熱量カスケードの使用を含むヒートポンピング方法に関する。
【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、したがって、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。したがって、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、したがって、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層の配列として、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，ｍａｘ（式中、ｄＴａｄ，ｍａｘ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】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様に従えば、異なるキュリー温度ＴＣを有する少なくとも３層の磁気熱量材料層の配列を含む磁気熱量カスケードが提供され、
−  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、ここで、
−  前記高温側外層若しく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、内層のいずれと比較しても、より大きな比ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣを示し、ｍは各磁気熱量材料層の質量を表し、ΔＳｍａｘ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の最大量を表す。
【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、したがって、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。等温磁気エントロピー変化の最大量ΔＳｍａｘ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】
したがって、パラメーターｍΔＳｍａｘは、温度の関数としてのエントロピーパラメーターｍΔＳの絶対最大量を構成する。パラメーターｍΔＳｍａｘ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ｍΔＳｍａｘは、温度の関数としての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。したがって、磁気熱量材料は単一のΔＳｍａｘのみを有する。一般に、異なる磁気熱量材料は、ΔＳｍａｘ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ｍΔＳｍａｘを調整するために行ってもよい。
【００１５】
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、所与の層配列による２層の層、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配列の設計に関係する。
【００１６】
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。
【００１７】
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ｍΔＳｍａｘ／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。
【００１８】
したがって、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、外層におけるエントロピーパラメーターｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣの重要性を認識したものである。本発明は、高温側外層と低温側外層の一方のみが内層のいずれよりも大きな比ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣを示すことにより改善された場合に性能改善をもたらし、高温側外層と低温側外層両方がこのように改善された場合には更なる性能改善をもたらす。
【００１９】
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。
【００２０】
ｍΔＳｍａｘ／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。好ましい実施形態において、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１％大きい量の比ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣを示す。本明細書での「又は（若しくは）」の使用は、高温側外層及び低温側外層が、更なる実施形態として、内層のいずれと比較しても、少なくとも１％大きい比ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣの量を示す場合を含むことが意図されている。
【００２１】
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して、このような実施形態は、公称温度範囲よりも大きい、高温側外層のキュリー温度と低温側外層のキュリー温度との間の温度差においても、改善された性能を有するヒートポンピングを達成する。
【００２２】
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。したがって、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ｍΔＳｍａｘ／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。
【００２３】
カスケードの好適な実施形態の設計を達成するために、エントロピーパラメーターｍΔＳの最大量とキュリー温度間隔ΔＴＣとの比、即ち、ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣを調整するための異なる措置を、単独で又は相互に組み合わせて、用いることができる。
【００２４】
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、ΔＳｍａｘの量を大きくすることである。ΔＳｍａｘ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。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ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣを示すことが好ましい。他の実施形態において、ｍΔＳｍａｘ／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ｍΔＳｍａｘ／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ｍΔＳｍａｘ／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ｍΔＳｍａｘ／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ｍΔＳｍａｘ／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ΔＳｍａｘ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。
【００２５】
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。
【００２６】
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（ΔＳｍａｘ）である。大きな線幅を高くし、したがって、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、下位層配列、好ましくは、単一層と比較して下位層配列の組み合わせの最大量ΔＳｍａｘを減少させない下位層配列が用いられ得る。
【００２７】
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。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る。好ましい実施態様において、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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ため、カスケードの異なる磁気熱量材料層は、組み合わせたとき、磁気熱量カスケード全体にわたる磁気熱量層のいずれにおいても取られるエントロピーパラメーターｍΔＳの大域的最大値の６０％以上、いくつかの他の実施形態では７０％以上、更なる実施形態では８０％以上において、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。
【００３０】
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ｍΔＳｍａｘ及び幅が大きく相違し得る線形を示し、例えば、最大量ｍΔＳｍａｘ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間隔ΔＴＣ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（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ｍΔＳｍａｘは変化しないと仮定する）。キュリー温度間隔ΔＴＣ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。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。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。
【００３１】
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取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。
【００３２】
一般に、本発明のカスケードの多くの実施形態では、高温側外層及び低温側外層はいずれも、前述した実施形態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、若しくは（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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材料層により構成される。他の実施形態において磁気材料層は粒子により構成され、前記粒子は、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り得る。
【００３６】
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。
【００３７】
以下で、ヒートポンプの実施形態を説明する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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を有する異なる磁気熱量材料層の配列を製造する工程であって、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層のそれぞれの対は、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、ここで、
−  前記高温側外層若しく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、より大きな比ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣを示すように製造され、ｍは、各磁気熱量材料層の質量を表し、ΔＳｍａｘ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の最大量を表す、工程
を含む。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。
【００４１】
一実施態様において、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。
【００４２】
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。
【００４３】
以下では、ヒートポンピング方法の実施形態を説明する。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【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】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４】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５】磁気熱量カスケードの更なる実施形態を示す。
【図６】３つの異なる高温側温度について、高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲における磁気熱量カスケードの異なる実施形態の冷却能改善を表す図を示す。
【図７】３つの異なる高温側温度について、高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲における磁気熱量カスケードの異なる実施形態の冷却能改善を表す図を示す。
【図８】３つの異なる高温側温度について、高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲における磁気熱量カスケードの異なる実施形態の冷却能改善を表す図を示す。
【図９】１．５Ｔの印加磁場における最大断熱温度変化の関数として、異なる磁気熱量材料の磁気相転移時の最大等温磁気エントロピー変化ΔＳｍａｘを表す図を示す。
【図１０】第２の基準構造と比較して３つの異なる高温側温度について、高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲に関して、カスケードの内層以外に高温側外層及び低温側外層両方において異なる最大等温磁気エントロピー変化ΔＳｍａｘの材料を使用する磁気熱量カスケードの実施形態の冷却能改善を表す図を示す。
【図１１】第２の基準構造と比較して３つの異なる高温側温度について、高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲に関して、高温側外層及び低温側外層両方においてカスケードの内層よりも大きな質量を有する磁気熱量カスケードの実施形態の冷却能改善を表す図を示す。
【図１２】第２の基準構造と比較して３つの異なる高温側温度について、高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲に関して、低温側外層のみにおいて減少させたキュリー温度間隔を有しカスケードの他の層においては増加させたキュリー温度間隔を有する磁気熱量カスケードの実施形態の冷却能改善を表す図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図１は、１層の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（ジュール毎ケルビン）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、ΔＳｍａｘ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，ｍａｘになり、図１に示されるようにΔＳｍａｘが観察される温度とは異なる温度で生じる。
【００４９】
図２は、磁気熱量再生器として使用され、したがって、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。カスケード１０は、磁気熱量材料層１２〜２０の層配列から構成される。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。以下で図３及び図４を参照しながら説明する、本発明に従う設計上の選択肢に基づいて、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。図３及び図４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３及び図３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、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いずれの情報も、簡潔性の理由により図３及び図４では省略されている。２層の隣接磁気熱量材料層３２、３４及び４２、４４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３２及び４２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３４及び４４は、特許請求の範囲の表現で言う内層を構成する。
【００５０】
両方の実施形態の外層３２及び４２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３の実施形態において、外層３２は、隣接内層３４と比較して、エントロピーパラメーターｍΔＳの最大量ｍΔＳｍａｘがより高くなっている。外層３２のこの性質は、外層３２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３４と比較してエントロピーパラメーターｍΔＳの最大量ｍΔＳｍａｘがより高くなる外層３２の材料及び／又は質量の選択は、ｍΔＳｍａｘ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３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３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ｍΔＳｍｅａｎ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。
【００５１】
図４の実施形態において、外層４２は、隣接内層４４と比較して、エントロピーパラメーターｍΔＳの最大量ｍΔＳｍａｘ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３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３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４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ｍΔＳｍｅａｎ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。
【００５２】
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。
【００５３】
図５は、矢印５１１により示された方向に熱を移動させるために冷却装置内で磁気熱量再生器として使用される磁気熱量カスケード５１０の更なる実施形態の概略図を示す。カスケード５１０は、磁気熱量材料層５１２〜５２２の層配列から構成される。特に、カスケードは、低温側外層５１２を有し、それに続いて複数の磁気熱量内層があり、この例では、図として簡略とするため、それらのうち内層５１４〜５２０のみが示されている。更に、カスケード５１０は高温側外層５２２を有する。低温側外層５１２は、内層５１２〜５２０のいずれと比較しても、より大きな比ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣを示す。このことは、カスケード５１０の層配列に沿った位置に対する比ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣの依存性を表す、カスケード５１０の右側の図に概略的に示されている。この図は、低温側外層５１２がｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣの最も高い量を有し、高温側外層５２２は、ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣの２番目に高い量を有することを示している。
【００５４】
図５の実施形態に類似する別の実施形態（図示せず）において、ｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣの量は、高温側外層と低温側外層５１２〜５２２において等しい。
【００５５】
図５の実施形態に類似する更に別の実施形態（図示せず）において、高温側外層５２２の量のｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣは、内層５１４〜５２０のものに等しい。
【００５６】
図５の実施形態に類似する更なる実施形態（図示せず）では、低温側外層５１２は、内層５１４〜５２０の量のｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣに等しいか、それよりも大きな量のｍΔＳｍａｘ／ΔＴＣを有するが、高温側外層は、カスケード内で最大量のΔＳｍａｘ／ΔＴＣを有する。
【００５７】
以下では、図６〜図８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。図６〜図８は、３つの異なる高温側温度について、高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲に関して、磁気熱量カスケードの異なる実施形態の冷却能改善（ＩＣＰと略記）を表す図を示す。改善は基準カスケードと比較した比として示される。
【００５８】
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、仮想実験を実施した。一次元モデルが用いられた。図８〜１０の図の基礎になる全ての実施例のカスケードの磁気熱量材料層は、同じ材料特性を有していたが、キュリー温度の値を変えた。図示された全ての実験では、最も低いキュリー温度は１５．７℃であり、高温側外層において最も高いキュリー温度は３３．７℃であり、カスケード全体で１８Ｋというキュリー温度の全体的範囲が得られた。磁気熱量材料の質量は０．０２５ｋｇであり、ブロー当たり移送体積は２ｘ１０−６ｍ３だった。
【実施例１】
【００５９】
減少させたΔＴＣ
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、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、３Ｋ間隔で等間隔に並んだキュリー温度を示す７層の磁気熱量層の配列を含む。キュリー温度（単位：℃）は、以下の温度：１５．７（低温側外層）；１８．７；２１．７；２４．７；２７．７；３０．７；３３．７（高温側外層）だった。これらの層は、同一の層当たり基準質量０．０２５ｋｇ及びブロー当たり移送体積２ｘ１０−６ｍ３を有した。
【００６０】
基準カスケード、並びに以下の実施例１及び２において説明する本発明のカスケードの異なる実施形態について、冷却能を定量した。
【００６１】
第１の実施形態は、基準カスケードとして７層の磁気熱量層の層配列及び同じ層当たり質量を有し、したがって、基準カスケードと比較して同じカスケード総質量を有する、磁気熱量カスケードである。ただし、高温側外層及び低温側外層の隣接内層の材料は、それぞれ、高温側及び低温側外層に対して、より小さなキュリー温度差ΔＴＣを有するように選択される。高温側及び低温側外層両方において、その隣接内層を基準とするキュリー温度差ΔＴＣは２．６Ｋになる。全ての内層は、それらの各隣接内層に対して３．２Ｋのキュリー温度差を有する。カスケードの磁気熱量層のキュリー温度（単位：℃）の絶対値は、以下の値：１５．７  （低温側外層）；１８．３；２１．５；２４．７；２７．９；３１．１；３３．７（高温側外層）である。キュリー温度範囲全体となる、１８Ｋを超える範囲の結果のみが、関連性を持ち、以下に示される。
【実施例２】
【００６２】
増加させた質量
実施例１の場合と同じ基準カスケードを使用した。
【００６３】
第２の実施形態は、同様に基準カスケードとして７層の磁気熱量層の層配列を有する、磁気熱量カスケードである。ただし、後述するように、第２の実施形態のカスケードは、基準カスケードと比較して質量を変えたものである。基準カスケードと比較してカスケードの総質量は同じに維持されている。ただし、高温側外層と低温側外層は、カスケードの個々の内層の質量よりも２０％高い同一の質量を有する。したがって、内層の合計した総質量は２０％減少している。内層は相互に比較して同一の質量を有する。
【００６４】
第１の実施形態の場合以外では、高温側外層及び低温側外層の隣接内層の材料は、高温側及び低温側外層に対して同じキュリー温度差ΔＴＣを有するように、即ち、各隣接内層に関して、それぞれ、高温側及び低温側外層に対して同じキュリー温度差ΔＴＣ、つまり３．０Ｋを有するように選択される。カスケードの磁気熱量層のキュリー温度（単位：℃）の絶対値は、以下の値：１５．７（低温側外層）；１８．７；２１．７；２４．７；２７．７；３０．７；３３．７（高温側外層）である。
【００６５】
図６は、１８℃〜２８℃の温度範囲ＴＳの範囲において、異なる温度範囲ＴＳ（単位：℃）、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、３４．７℃のカスケードの高温側界面の動作温度について、上記の基準カスケードの冷却能に関連して、冷却能改善（ＩＣＰ）（単位：％）を示している。用いられている異なる記号は異なる実施形態を表しており、第１の実施形態（減少させたΔＴＣ）について得られたＩＰＣ値は正方形で表され、第２の実施形態（増加させた質量）について得られたＩＰＣ値は菱形で表されている。図７と図８は、対応する図を示しており、得られたデータは、図６と同様に、同じ温度範囲について３５．７℃（図７）と３６．７°Ｃ（図８）というカスケードの高温側界面での動作温度に基づいている。したがって、図６〜図８は、各カスケードの最も高いキュリー温度より上の、１Ｋ（図６）、２Ｋ（図７）、及び３Ｋ（図８）の高温側での動作に関して得られた冷却能に関するデータを示している。
【００６６】
図６〜図８の図は、１８〜２６Ｋの温度範囲ＴＳの全範囲において、基準カスケードと比較して両方の実施形態における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確に示している。改善は、第２の実施形態において、より大きくなっている。明らかに温度範囲が大きくなるにつれて改善が大きくなっている。高温側の３つ全ての動作温度について改善は殆ど同じである。
【００６７】
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。
【００６８】
図９は、５種の異なる材料内に磁気熱量効果を生じさせるのに適した印加磁場１．５Ｔにおいて、ΔＳｍａｘが生じる温度にて、断熱温度変化ΔＴａｄについてプロットした、５種の異なる磁気熱量材料の磁気相転移時の最大等温磁気エントロピー変化ΔＳｍａｘを表す図を示す。前記材料は材料系ＭｎＦｅ（Ｐ，Ａｓ）Ｓｉから選択される。図は、異なる材料を選択するだけでΔＳｍａｘが変化するが、断熱温度変化ΔＴａｄは実質的に不変であり得ることを証明している。磁場１．５Ｔにおいて示される５種の例示材料で得られるエントロピー範囲は、８．８Ｊ／ｋｇ／Ｋ〜約１１．９Ｊ／ｋｇ／Ｋの間で３Ｊ／ｋｇ／Ｋ超の範囲に及んでいるが、断熱温度変化ΔＴａｄは約３．５Ｋにおいて実質的に同一である。したがって、磁気熱量カスケードの層配列の設計時にパラメーターΔＳｍａｘを変えることによるエントロピーパラメーターｍΔＳの調整には、かなりの柔軟性がある。パラメーターΔＳｍａｘにより、ｍΔＳの温度依存性の線幅が同時に変化し、したがって、交差点値の調整も可能になる。
【実施例３】
【００６９】
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、第２の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、３Ｋ間隔で等間隔に並んだキュリー温度を示す７層の磁気熱量層の配列を含む。キュリー温度（単位：℃）は、以下の温度：１５．７（低温側外層）；１８．７；２１．７；２４．７；２７．７；３０．７；３３．７（高温側外層）だった。これらの層は、同一の層当たり基準質量０．０２５ｋｇ及びブロー当たり移送体積２ｘ１０−６ｍ３を有した。公知の手段により所与の用途での流量を最適化することができる。第２の基準カスケードは、カスケードの磁気熱量層の材料の点で、実施例１の文脈で前述した基準カスケードと異なり、したがって、温度の関数としてのΔＳの異なる線形、及び異なるΔＳｍａｘをもたらしている。第２の基準の全ての層の材料は同一であり、８．８５Ｊ／ｋｇ／ＫのΔＳｍａｘを有する。
【００７０】
基準カスケード、並びに以下の実施例３及び４において説明する本発明のカスケードの異なる実施形態について、冷却能を定量した。
【００７１】
実施例３のカスケードは、高温側外層及び低温側外層の材料が、基準カスケードの高温側外層及び低温側外層の材料とは異なる最大等温磁気エントロピー変化ΔＳｍａｘを有する点でのみ、基準カスケードと異なっている。基準カスケードの高温側外層及び低温側外層のΔＳｍａｘの量は１０．９７Ｊ／ｋｇ／Ｋである。
【００７２】
図１０は、３つの異なる高温側温度について、高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲に関して、実施例３の磁気熱量カスケードの実施形態の冷却能改善を表す図を示す。前述のように、得られたデータは、３４．７℃（黒塗り菱形）、３５．７℃（ばつ印）、及び３６．７℃（黒塗り三角形）のカスケードの高温側界面における動作温度に基づいている。冷却能改善ＩＣＰは、第２の基準カスケードに対する百分率として示されている。最大４０％の冷却能改善（ＩＣＰ）が、３つ全ての動作温度で実施例３の構造により達成されている。図９に表された他の例示材料でも、同様の結果が達成されている。
【実施例４】
【００７３】
実施例３の場合と同じ第２の基準カスケードを使用した。
【００７４】
実施例４のカスケードは、高温側外層及び低温側外層両方が、基準カスケードの高温側外層及び低温側外層と異なる質量を有するという点で、基準カスケードと異なる。実施例４のカスケードの質量は、基準カスケードの高温側外層及び低温側外層と比較して２０％増加している。更に、内層の質量は、第２の基準カスケードの総質量と同じ実施例４のカスケードの総質量を維持するように、相互に同一の量だけ減少している。
【００７５】
図１１は、３つの異なる高温側温度について、高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲に関して、実施例４の磁気熱量カスケードの実施形態の冷却能改善を表す図を示す。前述のように、得られたデータは、３４．７℃（黒塗り菱形）、３５．７℃（ばつ印）、及び３６．７℃（黒塗り三角形）のカスケードの高温側界面における動作温度に基づいている。冷却能改善ＩＣＰは、第２の基準カスケードに対する百分率として示されている。最大５％の冷却能改善（ＩＣＰ）が、３つ全ての動作温度で実施例４の構造により達成されている。
【実施例５】
【００７６】
実施例３の場合と同じ第２の基準カスケードを使用した。
【００７７】
実施例５のカスケードは、低温側外層とその隣接内層とのキュリー温度間隔が基準カスケードの対応するキュリー温度間隔よりも小さいという点で、基準カスケードと異なる。実施例５のカスケード全体での他方のキュリー温度は、基準カスケードのものと比較して高くなっている。カスケード全体でのキュリー温度間隔（単位：Ｋ）は、以下の値：３．０８（高温側）／３．０８／３．０８／３．０８／３．０８／２．６（低温側）である。
【００７８】
図１２は、３つの異なる高温側温度について、高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲に関して、実施例５の磁気熱量カスケードの実施形態の冷却能改善を表す図を示す。前述のように、得られたデータは、３４．７℃（黒塗り菱形）、３５．７℃（ばつ印）、及び３６．７℃（黒塗り三角形）のカスケードの高温側界面における動作温度に基づいている。冷却能改善ＩＣＰは、第２の基準カスケードに対する百分率として示されている。実施例５の構造により、３つ全ての動作温度で、２〜３％の冷却能改善（ＩＣＰ）が達成されている。
【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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【国際調査報告】
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