JP2014098495A - 磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型化及び高出力化できる磁気冷凍デバイスを提供する。
【解決手段】磁気冷凍デバイスでは、磁気熱量効果を有する磁性体と、隣接する磁性体の磁気熱量効果による温度変化範囲内にキュリー点を持たない固体蓄熱材とが交互に配置され、磁性体と固体蓄熱材との間には熱抵抗を制御可能な熱伝達部が設けられている。磁場印加部によって、磁性体に対し外部からの磁場が印加及び除去され、磁場の印加及び除去に同期して熱伝達部の熱抵抗が変化されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍システムに関する。

近年、環境配慮型で、且つ、冷凍効率の高い冷凍技術の一つとして、磁気冷凍への期待が高まり、室温域を対象とした磁気冷凍技術の研究開発が活発化して来ている。

磁気冷凍技術の一つとして、ＡＭＲ（Active Magnetic Regenerative Refrigeration）方式が提案されている。このＡＭＲ方式では、室温域における磁気冷凍にとって阻害要因と位置付けられている格子エントロピーが積極的に利用され、磁性体に、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ている。

代表的なＡＭＲ方式の装置は、例えば、粒子状の磁性体を充填した磁性体容器中を水などの熱交換流体が流通する構造を有し、磁性体容器に対する磁場の印加及び除去に同期させて、熱交換流体を往復移動させることにより、冷凍サイクルが実現されている。

ＡＭＲ方式の冷凍サイクルでは、コンプレッサが不要で動力が少なくて済むため、例えば、従来のフロンを用いた圧縮サイクルによる冷凍方式に比べ、高い冷凍効率が得られることが期待されている。

特開２００８−８２６６２号公報

上述したように、ＡＭＲ方式の冷凍サイクルでは、コンプレッサが不要で動力が少なくて済むため、例えば、従来のフロンを用いた圧縮サイクルによる冷凍方式に比べ高い冷凍効率が得られることが期待されている。

しかしながら、小型化、高出力化のために磁気冷凍サイクルを高速化すると、磁性体容器内を高速で熱交換流体を流通させる必要があるため、流体圧損が高くなり、熱交換流体を往復移動させるのに必要な動力が大きくなってしまい、逆に冷凍効率が下がってしまう問題がある。

実施形態は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、小型化及び高出力化でき、冷凍効率が向上する磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍システムを提供することにある。

実施形態によれば、
間隔を空けて配列されている、磁気熱量効果を有する磁性体と、
前記磁性体に対して磁場を印加及び除去可能な磁場印加部と、
前記磁性体に対向して配置され、前記磁場印加部による磁場の印加及び除去に伴う温度変化範囲内にキュリー点を有さず、且つ、蓄熱効果を有する蓄熱材と、及び
前記蓄熱材を前記磁性体に選択的に熱的接触させ、また、熱的隔離させることが可能で、前記磁場印加部の磁場の印加及び除去に同期して前記磁性体から前記蓄熱材或いは前記蓄熱材から前記磁性体に熱を伝達可能な熱伝達部と、
を具備する磁気冷凍デバイスが提供される。

また、他の実施の態様によれば、
略円周に沿って配列されている複数の磁気冷凍デバイス部であって、この磁気冷凍デバイス部が
間隔を空けて配列されている、磁気熱量効果を有する磁性体と、
前記磁性体に対向して配置される、蓄熱効果を有する固体蓄熱材と、及び
前記蓄熱材を前記磁性体に選択的に熱的接触させ、また、熱的隔離させることが可能で、前記磁場印加部の磁場の印加及び除去に同期して前記磁性体から前記蓄熱材或いは前記蓄熱材から前記磁性体に熱を伝達可能な熱伝達部と、
から構成されている複数の磁気冷凍デバイス部と、
前記複数の磁気冷凍デバイス部の前記円周上及び又は前記円周下で前記円周に沿って配置され、回転される１又は複数の磁場印加部であって、当該磁場印加部の回転に伴い前記磁性体に磁場を印加し、また、印加された磁場を除去している磁場印加部と、
を具備する磁気冷凍システムが提供される。

第１の実施形態に係る磁気冷凍デバイスの主要部の構造を模式的に示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図１に示す第１の実施形態の磁気冷凍デバイスの単位構成の動作を説明する為の模式的に示す断面図である。 図２に示される単位構成が積層された第１の実施形態の磁気冷凍デバイスの動作を説明する為の模式的に示す断面図である。 図２に示される単位構成が積層された第１の実施形態の磁気冷凍デバイスの動作を説明する為の模式的に示す断面図である。 図２に示される単位構成が積層された第１の実施形態の磁気冷凍デバイスの動作を説明する為の模式的に示す断面図である。 （ａ）、及び（ｂ）は、図１に示す熱伝達部の熱伝導性液体を用いた構成を概略的に示す断面図である。 （ａ）、及び（ｂ）は、更に他の図１に示す熱伝達部の熱伝導性液体を用いた単位構成を概略的に示す断面図である。 （ａ）、及び（ｂ）は、図６に示す熱伝達部の単位構成が積層された構造を概略的に示す断面図である。 （ａ）、及び（ｂ）は、図１に示す熱伝達部の液晶を用いた構成を概略的に示す断面図である。 第２の実施形態の磁気冷凍デバイスの主要部の模式的構造断面図である。 実施形態に係る磁気冷凍システムを模式的に示す斜視図である。 他の実施形態に係る磁気冷凍システムの配置構造を模式的に示す平面図である。 更に他の実施形態に係る磁気冷凍システムの配置構造を模式的に示す平面図である。

以下、実施形態に係る磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍デバイスを備えた磁気冷凍システムについて、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１には、第１の実施形態に係る磁気冷凍システムが示されている。この磁気冷凍システムは、磁気冷凍デバイス１を備えている。この磁気冷凍デバイス１では、磁気熱量効果を有する磁性体２と固体蓄熱材３が交互に並列配置され、磁性体２と固体蓄熱材３の間及び高温側並びに低温側の最外端側に熱伝達部５０が設けられ、熱伝達部５０、磁性体２、熱伝達部５０及び固体蓄熱材３の配列が長手方向に沿って（高温側から低温側に向けて）配置される構造を有している。図１に示す磁気冷凍システムでは、磁性体２に磁場を印加し、その後、磁場の除去を可能なように長手方向Ｍに沿って（高温側から低温側に向けて或いは反対方向に向けて）移動可能な磁場印加部６Ａ、６Ｂを備えている。

より詳細には、磁場印加部６Ａ、６Ｂは、磁気冷凍デバイス１の外部に配置され、この２つの磁場印加部６Ａ、６Ｂが空隙を空けて磁気冷凍デバイス１を挟み込むように配置されて磁気回路を構成することができる。磁場印加部６Ａ、６Ｂは、永久磁石で構成しても良く、或いは、電磁石で構成することもできる。

また、磁場印加部６Ａ、６Ｂは、図示しない移動機構により、図１に示す矢印Ｍの方向に移動することが可能で、磁場印加部６Ａ、６Ｂが移動することにより、磁性体２への磁場の印加及び除去が可能になる。

ここで、磁場印加部６Ａ、６Ｂが電磁石で構成される場合には、磁場印加部６Ａ、６Ｂが移動されなくても、電磁石を流れる電流がオン／オフされることにより、磁性体２への磁場の印加及び除去が可能となる。従って、電磁石で構成される磁場印加部６Ａ、６Ｂにあっては、移動機構は不要となる。

図１に示される磁性体２、熱伝達部５０及び固体蓄熱材３は、磁気冷凍デバイスの単位構造を構成し、図２（ａ）に示すように磁性体２と隣接する一方の固体蓄熱材３−１との間には熱伝達部５０−１が設けられ、磁性体２と隣接する他方の固体蓄熱材３−２との間には熱伝達部５０−２が設けられている。更に、磁気冷凍デバイスは、熱伝達制御部１０を備え、この熱伝達制御部１０が熱伝達部５０−１及び５０−２の熱抵抗を制御して磁性体２と固体蓄熱材３−１との間の熱抵抗及び磁性体２と固体蓄熱材３−２との間の熱抵抗を選択的に制御して高温側から低温側に向ける熱伝達を制御している。図１においても、熱伝達制御部１０が示されているが、この熱伝達制御部１０が図を簡略に描く目的から、代表する２つの矢印で熱伝達部５０を制御するように描かれている。しかし、当然にこの２つの熱伝達部５０のみでなく、他の熱伝達部５０も熱伝達制御部１０によって制御されることは明かである。熱伝達制御部１０は、磁性体２の吸熱及び発熱に応じて、適切なタイミングで熱伝達部５０を個別に制御して、これらの熱伝達部５０が制御されることによって高温側から低温側に向ける熱伝達が制御されている。

より詳細に磁気冷凍デバイス１における基本的な熱輸送の原理を図２（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。

図２（ａ）は、磁場印加部６Ａ、６Ｂにより磁性体２に磁場が印加された状態を示している。これに対して、図２（ｂ）は、磁場印加部６Ａ、６Ｂから磁性体２に印加された磁場が除去された状態を示している。図２（ｂ）では、磁場印加部６Ａ、６Ｂが破線で示されて磁場印加部６Ａ、６Ｂが除去されたように描かれているが、磁場印加部６Ａ、６Ｂが物理的に配置されていて、その磁場が消磁されている場合を当然に含むものである。

図２（ａ）に示されるように、磁場印加部６Ａ、６Ｂから磁性体２に磁場が印加されると、磁気熱量効果により磁性体２の温度が上昇される。即ち、磁性体２に磁場印加部６Ａ及び６Ｂから磁場が印加されると、磁性体２が発熱されて発熱状態となる。ここで、熱伝達制御部１０によって、磁性体２に隣接する一方の熱伝達部５０−１の熱抵抗が低い状態（図２（ａ）おいて、灰色に示されている熱伝達部の熱抵抗が低くなって熱を効率的に伝播できる熱伝播状態となる。）とされ、他方の熱伝達部５０−２の熱抵抗が高い状態（図２（ａ）おいて、白抜きで示されている熱伝達部の熱抵抗が高くなって効率的に伝播できないない熱隔離(断熱）状態となる。）とされる。従って、磁性体２に熱的に実質的に接している一方の固体蓄熱材３−１に熱が伝達されて固体蓄熱材３−１が加熱される。

また、図２（ｂ）に示されるように、磁性体２に磁場印加部６Ａ及び６Ｂから磁場が除去されると、磁性体２が外部から熱を奪う吸熱状態となる。磁性体２に吸熱作用が生じる際には、熱伝達制御部１０によって、磁性体２に隣接する一方の熱伝達部５０−１の熱抵抗が高い状態（図２（ｂ）では、白抜きで示されている熱隔離(断熱）状態。）になり、他方の熱伝達部５０−２の熱抵抗が低い状態（図２（ａ）では、灰色に示されている熱伝播状態。）になる。従って、磁性体２に熱的に実質的に接している他方の固体蓄熱材３−２から熱が奪われてこの固体蓄熱材３−２が冷却される。

磁気冷凍デバイス１の一方の最外側に配置される固体蓄熱材３は、熱伝達部５０を介して高温側熱交換部７に熱的に接触固定され、また、磁気冷凍デバイス１の他方の最外側に配置される固体蓄熱材３は、熱伝達部５０を介して低温側熱交換部８に熱的に接触固定されている。上述したように磁気冷凍デバイス１において吸熱及び放熱がなされる場合には、低温側熱交換部８の側から高温側熱交換部７側に向けて熱が伝達され、低温側熱交換部８が最も熱を奪われて冷却され、高温側熱交換部７が最も温度が上昇されて熱が外部に放熱される。

既に図１を参照して説明したように、この磁気冷凍デバイス１の長手方向に相当する移動方向Ｍに沿って移動可能に磁場印可部６Ａ、６Ｂが配置されている。この磁場印可部６Ａ、６Ｂは、移動方向Ｍに沿った移動に伴い磁性体２に外部からの磁場を印加し、当該磁性体２から遠ざかるに従って印加した磁場を除去している。この磁場印加部６Ａ、６Ｂからの磁場の印加及び除去に同期して熱伝達制御部１０によって、上述した熱伝達部５０−１、５０−２の熱抵抗が変化される。従って、磁性体２で生じた吸熱作用或いは発熱作用によって磁気冷凍デバイス１において熱が伝達され、低温側熱交換部８が冷却され、高温側熱交換部７で放熱される。

より詳細には、図３に示すように熱抵抗が低い状態にある熱伝達部５０−１が高温側で磁性体２に接し、磁性体２から熱が熱伝達部５０−１を介して固体蓄熱材３に伝達される。一方、熱抵抗は高い状態にある熱伝達部５０−２が低温側で磁性体２を熱的に隔離することから、磁性体２からの熱が低温側に向けて伝達されることが阻止される。

また、図４に示すように磁場印加部６Ａ、６Ｂが移動して或いは磁場印加部６Ａ、６Ｂが磁場を発生しなくなって、磁場が除去されると、磁気熱量効果により、磁場の除去に伴い磁性体の温度が低下される。この磁性体の温度の低下に同期して、熱伝達部５０−１の熱抵抗が高い状態になり、熱伝達部５０−２の熱抵抗が低い状態になると、固体蓄熱材３−２から磁性体２に熱が移動（吸熱作用）される。より詳細には、図４に示すように熱抵抗が低い状態にある熱伝達部５０−２が低温側で磁性体２に接し、磁性体２が熱伝達部５０−２を介して固体蓄熱材３の熱を奪い固体蓄熱材３を冷却する。一方、熱抵抗は高い状態にある熱伝達部５０−１が高温側で磁性体２を熱的に隔離することから、磁性体２からの熱が低温側に向けて伝達されることが阻止される。

図３及び図４に示されるように、固体蓄熱材３の一方及び他方の側が断熱（熱隔離）された状態が交互に繰り返されると、熱が低温側の固体蓄熱材３から高温側の固体蓄熱材３に輸送され、蓄熱効果により熱的に分離され、低温側から高温側に配列されている低温側固体蓄熱材３及び高温側固体蓄熱材３との間に温度差が与えられることとなる。

図３に示した磁気冷凍デバイス１は、図２に示す単位構造が積層された積層構造に構成され、単位構造で生じた温度差が積層構造に積み重ねられている。従って、磁気冷凍デバイス１では、両端でより大きな温度差を生成することができる。

そして、磁気冷凍デバイス１においては、積層構造の端部まで輸送された熱は、高温側熱交換部７を介して外部に放熱され、反対に、低温側の端部では、低温側熱交換部８を介して外部から熱が吸熱される。高温側熱交換部７及び低温側熱交換部８は、例えば、熱伝導率の高いＣｕ（銅）で形成される。

図５には、磁場印加部６Ａ、６Ｂが移動することにより、磁性体２への磁場の印加及び除去する場合の磁気冷凍デバイス１の動作例が示されている。磁場が印加されている磁気冷凍デバイスの単位構造の箇所では、熱伝達部５０の熱抵抗が低い状態になり、磁場が印加されていない磁気冷凍デバイスの単位構造の箇所では、熱伝達部５０の熱抵抗が低い状態になる。このように、磁場印加部の移動に同期して磁気冷凍デバイスの単位構造の熱伝達部５０の熱抵抗を変化させることにより、低温側熱交換部８から高温側熱交換部７に熱を移動させることができる。図５に示す実施の形態では、磁場印加部６Ａ、６Ｂが矢印Ｍで示される方向に移動される限りにおいて、熱交換部７が高温側に、また、熱交換部８が低温側に維持される。従って、磁場印加部６Ａ、６Ｂが磁気冷凍デバイス１上の移動端まで移動された後に原位置に戻される際には、この磁場印加部６Ａ、６Ｂから磁気冷凍デバイス１に磁場が印可されないように磁場印加部６Ａ、６Ｂが磁気冷凍デバイス１上の原位置に戻されることが必要とされる。

図３、図４及び図５の実施の形態から明らかなように、磁場の印加及び除去を原因としてそれ自体で温度が変化されない特性を有する固体蓄熱材３が隣り合う磁性体２間に配置されている。ここで、隣接する複数の磁性体２に亘って同時に磁場が印加及び除去され、隣接する磁性体２が同時に上昇もしくは低下されると、磁性体２と隣り合う固体蓄熱材３との間には、必ず温度差が存在するので、熱伝達部５０の制御により所望の方向の固体蓄熱材３に熱を移動させることが可能となる。

この実施形態の磁気冷凍デバイス１では、上述したように、冷媒が用いられず、冷媒を移動させるためのポンプ等の動力源が不要で、冷凍サイクルの高速化が可能になる。従って、小型化及び高出力化できる磁気冷凍デバイスを提供することができる。また、本実施形態の磁気冷凍デバイスを用いることで、小型化、及び高出力化できる磁気冷凍システムを提供することが可能となる。

本実施形態の磁気熱量効果を有する磁性体２は、特にその材料が限定されるものではなく、磁気熱量効果を発現する磁性体であれば、例えば、Ｇｄ（ガドリニウム）や、Ｇｄに各種元素を混合したＧｄ化合物、各種希土類元素と遷移金属元素からなる金属間化合物、Ｎｉ_２ＭｎＧａ合金、ＧｄＧｅＳｉ系化合物、ＬａＦｅ_１３系化合物、ＬａＦｅ_１３Ｈ系化合物などの磁性体を用いることが可能である。

実施の形態の固体蓄熱材３は、磁場印加部６Ａ、６Ｂによる磁場の印加及び除去に伴う磁性体２の温度変化範囲内にキュリー点を持たない材料から選ばれている。これは、磁場の印加及び除去によって磁性体２と同じように固体蓄熱材３が温度変化してしまうと、磁性体２と固体蓄熱材３との温度差が小さくなり、輸送できる熱量が小さくなってしまうからである。以上の条件を満たしていれば、固体蓄熱材３は、特に、これらの材料に限定されるものではなく、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｆｅ（鉄）、ステンレス等の金属や、シリコンやカーボンなどの非金属材料、ＡｌＮ（窒化アルミ）やＳｉＣ（炭化ケイ素）、アルミナなどのセラミックス、及びそれらの複合材料などを用いることが可能である。ただし、磁気冷凍サイクルの高速化を考えると、熱伝導率の高い材料を選定することが好ましい。

また、磁性体２と固体蓄熱材３の形状は、熱の受け渡しを考慮すると、熱容量がほぼ同等になるように厚みや面積に設計されることが好ましい。

次に、熱抵抗を制御可能な熱伝達部５０を実現する構成例について説明する。

図６（ａ）及び（ｂ）には、液体のエレクトロウェッティングを用いた熱伝達部５０の構造が示されている。電極５１の表面には誘電膜５２が形成され、その表面に熱伝導性液体５３の液滴が置かれている。熱伝導性液体５３と電極５１との間には、電圧源１３とスイッチング回路１４が接続されている。図６（ａ）に示されるように、スイッチング回路１４がオフの状態で、熱伝導性液体５３が磁性体２や固体蓄熱材３などの相手材５４に接触するように構成される。この状態では、電極５１と相手材５４の熱抵抗が低く、熱を通しやすい状態になっている。一方、図６（ｂ）に示されるように、スイッチング回路１４がオンの状態で、熱伝導性液体５３と電極５１の間に電圧源１３の電圧が印加される。すると、熱伝導性液体５３と電極５１で形成されるキャパシタの静電エネルギーにより熱伝導性液体５３の表面エネルギーが減少して接触角θが減少し、相手材５４と熱伝導性液体５３が接触しなくなる。この状態では、電極５１と相手材５４の熱抵抗が高く、熱を通しにくい状態になる。このように、スイッチング回路１４を切り替えることによって、熱抵抗の低い状態と高い状態を切り替えることが出来る。

図６（ａ）及び（ｂ）に示される液体のエレクトロウェッティングを用いた熱伝達部５０の構造が図１に示される磁気冷凍デバイスに組み込まれる場合には、上述したように、相手材５４が磁性体２或いは固体蓄熱材３に相当し、電極５１が磁性体２或いは固体蓄熱材３に設けられ、この電極５１が誘電体膜５２で被覆される。また、図１に示す熱伝導制御部１０は、図６（ａ）及び（ｂ）に示される多数の熱伝達部５０に対応する複数のスイッチ１４を含み、この複数のスイッチ１４が接続されている電圧源１３で構成される。そして、これらスイッチ１４が磁性体２への磁場の印可及び除去に同期してオン・オフされる。その結果として、熱伝達部５０が磁性体２と固体蓄熱材３との間を熱的隔離状態或いは熱的伝播状態に切り替えることが可能となる。

熱伝導性液体５３は、液体で熱伝導率の高い材料であれば、特に特定材料に限定されるものではなく、水や、水に熱伝導性粒子を分散させたもの、イオン液体、液体金属などを用いることができる。

図７には、液体のエレクトロウェッティングを用いた熱伝達部５０の他の構造例が示されている。図７に示す構造では、表面に誘電膜５２が形成された電極５１が隙間を空けて対向して配置される。その隙間の一端側には、この間隙に連通する空隙を備えたハウジング５５が設けられ、その空隙内に熱伝導性液体５３が保持されている。熱伝導性液体５３と電極５１との間には、電圧源１３とスイッチング回路１４が接続されている。

このような構造では、図７（ａ）に示されるように、スイッチング回路１４がオフの状態で、熱伝導性液体５３と誘電膜５２との接触角が大きいため、熱伝導性液体５３がハウジング５５内に留められる。この状態では、電極５１間には、間隙が生じたままに維持され、２枚の電極５１の間の熱抵抗が高く、熱を通しにくい状態になっている。一方、図７（ｂ）に示されるように、スイッチング回路１４がオンの状態で、熱伝導性液体５３と電極５１の間に電圧源１３の電圧が印加されると、熱伝導性液体５３と電極５１で形成されるキャパシタの静電エネルギーにより熱伝導性液体５３の表面エネルギーが減少して接触角が減少し、熱伝導性液体５３がハウジング５５の空隙から電極５１間の隙間に浸入する。この状態では、２枚の電極５１の間の熱抵抗が低くなり、熱を通しやすい状態になる。このように、スイッチング回路１４を切り替えることによって、熱抵抗の高い状態と低い状態を切り替えることが出来る。

図８（ａ）及び（ｂ）には、図７（ａ）及び（ｂ）に示した熱伝達部５０を組み合わせに係る構造例が示されている。この構造例に係る熱伝達部５０では、１つの磁性体２の両側に電極５１間の間隙が設けられ、この間隙が互いにハウジング５５に形成された共通の空隙で連通されている。換言すれば、この構造例は、１つの磁性体２を介して図７（ａ）及び（ｂ）に示されるような熱伝達部５０が積層されるように構成され、間隙を連通させる空隙を定める単一のハウジング５５が積層体に共通に設けられ、熱伝導性液体５３が２つの熱伝達部５０の間の隙間をハウジング５５の空間を介して移動されることが可能に構成されている。この構造例では、熱伝達部５０が磁性体２の両側に積層されている例を示しているが、磁性体２に代えて、固体蓄熱材３の両側に熱伝達部５０が積層されている構成であっても良い。また、２つの熱伝達部５０の空隙がハウジングの共通の空隙で連通している例を示しているが、連通されるべき空隙は、２つに限らず、３つ以上の熱伝達部５０の間隙がハウジング５５の共通の空隙を介して連通されていても良い。

図８に示す構造では、２つの熱伝達部５０は、夫々スイッチ１４−１及び電圧源１３−１が直列に接続された第１の直列回路及びスイッチ１４−２及び電圧源１３−２が直列に接続された第２の直列回路に接続され、これらスイッチ１４−１、１４−２が磁性体２への磁場の印可及び除去に同期して交互にオン・オフされる。その結果として、液体金属５３が一方の熱伝達部５０から他方の熱伝達部５０に移動して、磁性体２と固体蓄熱材３との間を熱的隔離状態或いは熱的伝播状態に切り替えることが可能となる。

図９（ａ）及び（ｂ）には、液晶を用いた熱伝達部５０の構成例が示されている。図９（ａ）及び（ｂ）に示される構造では、表面に配向膜５６が形成された電極５１が互いに対向して配置され、その間の間隙に、熱伝導性フィラー５８を分散させた液晶５７が保持されて熱伝達部５０が構成されている。

図９（ａ）は、電極５１に電圧が印加されていない状態を示し、電極５１間の間隙には、液晶５７が配向膜５６に沿って配列されている。従って、電極５１間の間隙には、液晶５７によって熱伝導性フィラー５８も向きが整えられて電極５１に平行に配列される。このとき、電極５１間の熱抵抗は、高い状態に維持される。一方、図９（ｂ）に示すように、電圧源３１から電極５１間に電圧が印加されると、液晶５７がその長手方向が電極５１に向けられるように電極５１に対して垂直に配向される。この液晶５７の配向に伴って、熱伝導性フィラー５８もその長手方向が電極５１に向けられるように電極５１に対して垂直に配向されるため、熱伝導性フィラー５８によって電極５１間に熱伝導パスが形成され、熱抵抗が低くなる。このような構造では、電極間の電圧印加、除去によって、熱伝導性フィラー５８の向きを代えて熱伝導部５０の熱抵抗を切り替えることが出来る。

熱伝導性フィラー５８としては、金属や、アルミナ、窒化アルミ、シリカ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、マグネシア、カーボンなどを用いることができ、非磁性であることが好ましいが、特に上記材料に限定されるものではない。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る磁気冷凍システムにおいては、図１に示される磁気冷凍デバイス１がその内の空間が減圧されて低圧状態に維持されている。磁気冷凍デバイス１内の空間が減圧されることにより、熱伝達部５０の高熱抵抗状態における熱抵抗がより増加され、高温側から低温側への熱の逆流が抑制され、熱輸送効率が向上される。

第２の実施形態に係る磁気冷凍システムは、例えば、図１０に示すように磁気冷凍デバイス１を密閉する減圧容器２１の中に収納することによって実現される。

減圧容器２１は、非磁性体で、例えば、プラスチック等の樹脂で形成される。減圧容器２１の強度を上げるためにアルミニウム等の金属を用いても良い。しかし、磁場の印加除去に伴う渦電流の発生を抑制する観点や、断熱（熱隔離）性能の観点からは、減圧容器２１の材料としては、電気抵抗の高い樹脂等の適用が望ましい。

図１〜図１０に示される磁気冷凍デバイスは、図１１に示される磁気冷凍システムとして実現することができる。

図１１は、本実施形態の磁気冷凍システムの模式的斜視図を示している。図１で示したような構造を有する４つの磁気冷凍デバイス１が第１の円周上に配置され、２対の磁場印加部６Ａ、６Ｂが同様に第１の円周の上下に同一中心軸を有するように定められた第２及び第３の円周上に配置されている。一例として、２個の磁場印加部６Ａは、第２の円周を定める上部回転板３０Ａに固定され、２個の磁場印加部６Ｂは、第３の円周を定める下部回転板３０Ｂに固定されている。ここで、４つの磁気冷凍デバイス１は、熱伝達制御部１０及び磁場印加部６Ａ、６Ｂを除く固体蓄熱材３及び磁性体２を具備する磁気冷凍デバイス部として構成されている。

上部回転板３０Ａ及び下部回転板３０Ｂは、磁気冷凍デバイス１が設けられる第１の円周の中心に設けられる回転軸３２に固定され、この回転軸３２を中心に上部回転板３０Ａ及び下部回転板３０Ｂが同期して回転されている。回転軸３２は、例えば、図示せぬモータによって回転される。この回転に伴い、磁場印加部６Ａ、６Ｂは、同時に磁気冷凍デバイス１に接近され、また、離反されることを繰り返すことになり、この磁気冷凍デバイス１への磁場印加部６Ａ、６Ｂの接近及び離反によって磁気冷凍デバイス１において、既に説明したように、熱の伝播が生じる。

また、この実施形態のシステムにおいては、回転板３０Ａ、３０Ｂには、２対の磁場印加部６Ａ、６Ｂが取り付けられているが、２対に限らず、１対または３対以上であっても良い。もっとも、回転板３０Ａ、３０Ｂの回転を安定させる観点からは、複数対の磁場印加部６Ａ、６Ｂが回転軸３２に対して点対称に配置されることが好ましい。

また、本実施形態においては、同一円周上には、４つの磁気冷凍デバイス１が配置されているが、４つの磁気冷凍デバイス１に限らず、１〜３つの磁気冷凍デバイス１、または、５つ以上の磁気冷凍デバイス１が配置されても良い。

図１２は、他の実施の形態を示す磁気冷凍システムの配置構造を模式的に示す平面図である。図１２に示すように上部及び下部回転板３０Ａ、３０Ｂ上にこの回転板３０Ａ、３０Ｂの回転軸３２を中心として４つの磁気冷凍デバイス１−１、１−２、１−３、１−４が同一円周上に配置されている。

磁気冷凍デバイス１−１の高温側熱交換部７−１、７−２、７−３、７−４が熱的に並列に放熱部３４に接続されている。また、それぞれの磁気冷凍デバイス１の低温側熱交換部８−１、８−２、８−３、８−４が熱的に並列に吸熱部３６に接続されている。

磁気冷凍サイクルにより高温側熱交換部７−１、７−２、７−３、７−４で生じた温熱は、例えば熱交換器３７−１、３７−２、３７−３、３７−４を介して、放熱部３４に輸送される。一方、磁気冷凍サイクルにより低温側熱交換部８−１、８−２、８−３、８−４生じた冷熱は、例えば、熱交換器３８−１、３８−２、３８−３、３８−４を介して、吸熱部３６に輸送される。

図中実線及び点線で示す、温熱及び冷熱の放熱部３４及び吸熱部３６への熱輸送は、公知の熱交換ガスや液体、固体熱伝導などを利用することで実現可能である。

図１３は、更に他の実施の形態の磁気冷凍システムの構造を模式的に示す平面図である。図１２に示す実施の形態は、図１２に示す実施形態とは異なり、磁気冷凍デバイス１−１、１−２、１−３、１−４が熱的に互いに直列に接続されている。

隣接する磁気冷凍デバイス１−１、１−２、１−３、１−４の端部は、熱伝導体４０−１、４０−２、４０−２を介して夫々接続されている。４個の磁気冷凍デバイス１−１、１−２、１−３、１−４の内、末端部の磁気冷凍デバイス１−１の末端側に高温側熱交換部７が設けられ、高温側熱交換部７が熱伝導体４２−１を介して放熱部３４に接続されている。また、他方の末端部の磁気冷凍デバイス１−４の末端側に低温側熱交換部８が設けられ、低温側熱交換部８が熱伝導体４２−２を介して吸熱部３６に接続されている。

さらに、高温側熱交換部７を備える末端部の磁気冷凍デバイス１−１の磁性体の磁気転移温度が、低温側熱交換部８を備える他方の末端部の磁気冷凍デバイス１−４の磁性体の磁気転移温度よりも高い構成となっている。例えば、高温側熱交換部７を備える末端部の磁気冷凍デバイス１−１の磁性体から、隣接する磁気冷凍デバイス１−２内の磁性体の磁気転移温度が順次低くなっていき、低温側熱交換部８を備える他方の末端部の磁気冷凍デバイス１−４の磁性体が最低の磁気転移温度を有するよう構成されている。

図１３に示す実施形態の磁気冷凍システムでは、上記構成の磁気冷凍デバイスの高温側熱交換部７が熱的に放熱部３４に接続されている。また、低温側熱交換部８が熱的に吸熱部３６に接続されている。

図１３に示す実施形態によれば、異なる磁気転移温度を有する磁性体を用いた磁気冷凍デバイスを直列に接続することで、高い磁気冷凍温度差を実現することが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。上記、実施形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施形態の構成要素を適宜組み合わせても良い。

また、磁場印加除去機構について、磁場印加部が回転運動する場合を例に説明したが、磁場印加部を磁気冷凍デバイスに対して往復運動させても良い。この場合、回転運動を直線運動に変換するリニア駆動アクチュエータやカム機構を用いることが好ましい。さらに、磁場印加部と磁気冷凍デバイスとの相対運動は手動であったり、自動車の駆動力を分岐させて利用したり、風力・波力・水力などの自然エネルギーを直接利用させることも可能である。

そして、実施形態の説明においては、磁気冷凍デバイス、磁気冷凍システム等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる磁気冷凍デバイス、磁気冷凍システムに関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての磁気冷凍デバイス、磁気冷凍システムは、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等物の範囲によって定義されるものである。

以上のように、本実施形態の磁気冷凍デバイスは、上記構成を備えることで、冷媒を移動させる必要が無く、冷凍サイクルの高速化が可能になる。したがって、小型化、及び高出力化できる磁気冷凍デバイスを提供することが可能となる。また、本実施形態の磁気冷凍デバイスを用いることで、小型化、及び高出力化できる磁気冷凍システムを提供することが可能となる。

上述した説明においては、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１・・・磁気冷凍デバイス、２・・・磁性体、３、３−１、３−２・・・固体蓄熱材、６Ａ、６Ｂ・・・磁場印加部、７、７−１、７−２、７−３、７−４・・・高温側熱交換部、８、８−１、８−２、８−３、８−４・・・低温側熱交換部、１０・・・熱伝達制御部、１３・・・電圧源、１４、１４−１、１４−２・・・スイッチ、２１・・・減圧容器、３０Ａ・・・上部回転板、３０Ｂ・・・下部回転板、３２・・・回転軸、３４・・・放熱部、３６・・・吸熱部、５０、５０Ａ、５０Ｂ・・・熱伝達部、５１・・・電極、５２・・・誘電膜、５３・・・熱伝導性液体金属、５４・・・相手材、５５・・・ハウジング、５６・・・配向膜、５７・・・液晶、５８・・・熱伝導性フィラー

Claims (5)

1. 間隔を空けて配列されている、磁気熱量効果を有する磁性体と、
   前記磁性体に対して磁場を印加及び除去可能な磁場印加部と、
   前記磁性体に対向して配置され、前記磁場印加部による磁場の印加及び除去に伴う温度変化範囲内にキュリー点を有さず、且つ、蓄熱効果を有する蓄熱材と、及び
   前記蓄熱材を前記磁性体に選択的に熱的接触させ、また、熱的隔離させることが可能で、前記磁場印加部の磁場の印加及び除去に同期して前記磁性体から前記蓄熱材或いは前記蓄熱材から前記磁性体に熱を伝達可能な熱伝達部と、
   を具備する磁気冷凍デバイス。
2. 前記請求項１記載の磁気冷凍デバイスを減圧された空間に維持する密閉手段を更に備える請求項１の磁気冷凍デバイス。
3. 前記請求項１から請求項２のいずれかに記載の磁気冷凍デバイスを含む磁気冷凍システム。
4. 略円周に沿って配列されている複数の磁気冷凍デバイス部であって、この磁気冷凍デバイス部が
   間隔を空けて配列されている、磁気熱量効果を有する磁性体と、
   前記磁性体に対向して配置される、蓄熱効果を有する固体蓄熱材と、及び
   前記蓄熱材を前記磁性体に選択的に熱的接触させ、また、熱的隔離させることが可能で、前記磁場印加部の磁場の印加及び除去に同期して前記磁性体から前記蓄熱材或いは前記蓄熱材から前記磁性体に熱を伝達可能な熱伝達部と、
   から構成されている複数の磁気冷凍デバイス部と、
   前記複数の磁気冷凍デバイス部の前記円周上及び又は前記円周下で前記円周に沿って配置され、回転される１又は複数の磁場印加部であって、当該磁場印加部の回転に伴い前記磁性体に磁場を印加し、また、印加された磁場を除去している磁場印加部と、
   を具備する磁気冷凍システム。
5. 前記複数の磁気冷凍デバイス部が直列或いは並列に熱的接続されている請求項４の磁気冷凍システム。

Images