CN113405278A - 磁冷却设备 - Google Patents
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Abstract
一种磁冷却设备，在中空容器内，具有如下部分构成：含有非活性气体、有磁热效应的磁性材料粒子和制冷剂的材料填充部；在所述材料填充部的两端的含所述制冷剂的储气部；在所述材料填充部与所述储气部之间的材料分隔部，其中，所述非活性气体在所述中空容器中的体积分率为1vol％以上且12vol％以下。
Description
技术领域
本发明涉及用于磁冷却装置的磁冷却设备。
背景技术
目前，作为冷却方法，主要使用的是气体冷却方式，但根据2016年的蒙特利尔议定书基加利修正案等，气体冷却方式的制冷剂所使用的氟利昂气和代替氟利昂气，由于促进全球变暖而被进行了强化管制。因此，提出不使用氟利昂气和代替氟利昂气的磁冷却方式。
在磁冷却方式中，利用对磁性材料施加磁场时磁性材料发热的磁热效应，需要在绝热状态下通过磁场使磁性材料的磁序变化，使伴随此时的磁熵变而来的热能与制冷剂进行热交换。因此，在磁冷却方式下所用的磁冷却装置通过如下的连续反复的磁冷却循环而进行冷却：在圆筒状等的中空容器中，以可以使制冷剂在中空容器内部流动的形状填充具有磁热效应的磁性体，对如此构成的磁冷却设备交替连续反复实施磁场的施加·卸载和制冷剂输送。在磁冷却装置中，制冷剂使用作为固体制冷剂的磁性材料，和用于与磁性材料进行热交换的水等的制冷剂，不需要代替氟利昂气等的环境负荷物质。另外，作为气体冷却方式，在一系列的冷却循环中，因为经历不可逆性大的过程，所以实际的冷却效率比理论效率小，而作为磁冷却方式，不需要不可逆性大的过程，因此从冷却能力高效率化的观点出发也受到注目。
作为磁冷却方式中用于实现高冷却效率的现有的公开，有专利文献1所示这样的磁冷却装置。在专利文献1中公开的方法是，通过将构成磁冷却装置的磁调制装置和制冷剂输送装置机械地连接，减少动力源的个数，由此使磁冷却装置的输入电功率减少，使冷却输出功率与输入电功率的比即冷却效率提高。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010－151407号公报
发明内容
本发明的一个方式的磁冷却设备，是在中空容器内具有如下而成的磁冷却设备：
材料填充部，所述材料填充部含有非活性气体、具有磁热效应的磁性材料粒子和制冷剂；
储气部，所述储气部在所述材料填充部的两端并含有所述制冷剂；和
材料分隔部，所述材料分隔部在所述材料填充部与所述储气部之间，
在所述磁冷却设备中，
所述非活性气体在中空容器中的体积分率为1vol％以上且12vol％以下。
本发明的一个方式的磁冷却方法，是使用具备如下磁冷却设备的磁冷却装置的磁冷却方法，所述磁冷却设备，是在中空容器内具有如下而成的磁冷却设备：
材料填充部，所述材料填充部含有非活性气体、具有磁热效应的磁性材料粒子和制冷剂；
储气部，所述储气部在所述材料填充部的两端并含有所述制冷剂；和
材料分隔部，所述材料分隔部在所述材料填充部与所述储气部之间，
在所述磁冷却方法中，
所述磁性材料的粒径d(μm)为100μm以上且3000μm以下，
所述制冷剂在磁冷却循环中的流速v(mm/s)为20mm/s以上且80mm/s以下，
所述非活性气体在中空容器中的体积分率x(vol％)为1vol％以上且12vol％以下，
并满足下式(1)。
x≤2.1v2/d，且1≤x≤12 (1)
附图说明
图1是本发明的实施方式的磁冷却设备的示意性的结构剖视图。
图2是本发明的实施方式的磁冷却装置的示意性的结构剖视图。
图3A是说明本发明的实施方式的磁冷却装置的冷却操作步骤的图。
图3B是说明本发明的实施方式的磁冷却装置的冷却操作步骤的图。
图3C是说明本发明的实施方式的磁冷却装置的冷却操作步骤的图。
图3D是说明本发明的实施方式的磁冷却装置的冷却操作步骤的图。
符号说明
101 磁冷却设备
102 中空容器
103 材料填充部
104 材料分隔部
105 储气部
106 磁性材料粒子
107 制冷剂
108 第一非活性气体
109 制冷剂输送装置
110 第二非活性气体
111 磁冷却装置
112 非活性气体导入部
113 低温用热交换器
114 高温用热交换器
115 磁场调制装置
具体实施方式
本申请发明者意识到，在现有的磁冷却设备中依然存在要克服的课题，发现有为了采取对策的必要性。具体来说是发现了以下的课题。
在所述构成的磁冷却装置中，因为存在尾流区域，即制冷剂的动量交换在所填充的磁性材料粒子的空隙中进行得不活跃的区域，所以磁性材料粒子与制冷剂的热交换性低。因此，在磁冷却装置中，通过将磁性材料的放热·吸热量与制冷剂进行热交换而形成温度差，所以，若磁性材料粒子与制冷剂的热交换性低，则存在冷却能力小的课题。
本发明是着眼于磁冷却装置所用的磁冷却设备的冷却能力的提高而形成，其目的在于，提供一种使磁性材料粒子与制冷剂的热交换性提高，来自磁热效应的冷却能力得到提高的新的磁冷却设备。
用于解决上述课题的本发明的一个实施方式如下。
[项目1]
一种磁冷却设备，是在中空容器内具有如下而成的磁冷却设备：
材料填充部，所述材料填充部含有非活性气体、具有磁热效应的磁性材料粒子和制冷剂；
储气部，所述储气部在所述材料填充部的两端并含有所述制冷剂；和
材料分隔部，所述材料分隔部在所述材料填充部与所述储气部之间，在所述磁冷却设备中，所述非活性气体在中空容器中的体积分率为
1vol％以上且12vol％以下。
[项目2]
根据项目1所述的磁冷却设备，其中，所述磁性材料的粒径为100μm以上且3000μm以下。
[项目3]
根据项目1或2所述的磁冷却设备，其中，所述磁性材料粒子是从Gd1－aMa[式中，M是从Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho和Er所构成的群中选择的至少一种元素，0≤a≤0.5]；和(La1－bReb)(Fe1－c－dTMcSid)13He[式中，Re是从Ce、Pr、Nd、Pm、Sm和Gd所构成的群中选择的至少一种稀土元素，TM是从V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu和Zn所构成的群中选择的至少一种过渡金属元素，b、c、d和e分别为0≤b≤0.2、0≤c≤0.04、0.09≤d≤0.13、0≤e≤1.5]所构成的群中选择的至少一种。
[项目4]
根据项目3所述的磁冷却设备，其中，所述磁性材料是由组成式Gd1－aYa(0≤a≤0.05)表示的合金。
[项目5]
根据项目1～4中任一项所述的磁冷却设备，其中，所述非活性气体的氧含量为10vol％以下。
[项目6]
根据项目1～5中任一项所述的磁冷却设备，其中，所述非活性气体是从氮气、氩气或氮与氩的混合气体所构成的群中选择的。
[项目7]
根据项目1～6中任一项所述的磁冷却设备，其中，所述非活性气体在所述中空容器中的体积分率为6vol％以上且10vol％以下。
[项目8]
根据项目1～7中任一项所述的磁冷却设备，其中，是所述材料分隔部的网眼的大小比所述磁性材料的粒径小的网状结构。
[项目9]
根据项目1～8中任一项所述的磁冷却设备，其中，所述储气部在所述中空容器中的体积分率为10vol％以上且50vol％以下。
[项目10]
一种磁冷却装置，其具备项目1～9中任一项所述的磁冷却设备。
[项目11]
一种磁冷却方法，是使用具备如下磁冷却设备的磁冷却装置的磁冷却方法，所述磁冷却设备是在中空容器内具有如下而成的磁冷却设备：
材料填充部，所述材料填充部含有非活性气体、具有磁热效应的磁性材料粒子和制冷剂；
储气部，所述储气部在所述材料填充部的两端并含有所述制冷剂；和
材料分隔部，所述材料分隔部在所述材料填充部与所述储气部之间，
在所述磁冷却方法中，
所述磁性材料的粒径d(μm)为100μm以上且3000μm以下，
所述制冷剂在磁冷却循环中的流速v(mm/s)为20mm/s以上且80mm/s以下，
所述非活性气体在中空容器中的体积分率x(vol％)为1vol％以上且12vol％以下，
并满足次式(1)。
x≤2.1v2/d，且1≤x≤12 (1)
根据本发明的磁冷却设备，所述磁性材料粒子与所述制冷剂的热交换性提高，因此能够提供基于磁热效应的冷却能力高的磁冷却设备。
以下，根据需要一边参照附图，一边更详细地说明本发明的一个实施方式的磁冷却设备。但是，有省略不必要的详细说明的情况。例如，有省略已经周知的事项的详细说明，或省略对于实质上相同构成的重复说明的情况。这是为了避免说明变得无谓地冗长，易于从业者理解。申请人为了使从业者充分理解本发明而提供附图和以下的说明，意图并非是以此限定专利要求的范围所记述的主題。还有，附图中的各种的要素，不过是为了理解本发明而示意且例示性地加以表示，外观和尺寸比等会与实物不同。
＜磁冷却设备101＞
本发明的磁冷却设备101是能够用于利用磁热效应的冷却(例如制冷)的设备。
本发明的磁冷却设备101，在中空容器102内具有如下而成：
含有非活性气体、具有磁热效应的磁性材料粒子及制冷剂的材料填充部103；
在所述材料填充部的两端的含有所述制冷剂的储气部105；和
在所述材料填充部与所述储气部之间的材料分隔部104。
图1中显示本发明的磁冷却设备101的示意性的结构剖视图。本发明的磁冷却设备101，在中空容器102内部可以包含：在中心的中间材料填充部103，在其纵长方向(即，热移动的方向(制冷剂流动的方向))的两端的材料分隔部104，还有在其两端的外侧的储气部105。非活性气体存在于材料填充部103或储气部105中的至少一方，将位于材料填充部103的所述磁性材料粒子106间的空隙的非活性气体称为第一非活性气体108，将位于储气部105的非活性气体称为第二非活性气体。关于各构成，使用附图说明详情。
[中空容器102]
中空容器102的形状没有特别限定，但一般使用截面为圆形或多边形的筒状的容器。中空容器102的材质的例子没有特别限定，但是从材料的热导电性和磁导率等的观点出发选择，也以是树脂、金属、陶瓷、玻璃及其组合等。
[材料填充部103]
材料填充部103填充有磁性材料粒子106，其空隙由制冷剂107和第一非活性气体108构成。
材料填充部103可以是中空容器102的30vol％以上、40vol％以上、50vol％以上、55vol％以上、60vol％以上或65vol％以上，优选为50vol％以上。材料填充部103可以为95vol％以下、90vol％以下、5vol％以下、80vol％以下、75vol％以下或70vol％以下，优选为85vol％以下。
[材料分隔部104]
材料分隔部104可以通过制冷剂107，其可以具有网眼的大小比磁性材料粒子106小的构造，具有不让磁性材料粒子106通过的构造。材料分隔部104设置在材料填充部103与储气部105之间。材料分隔部104可以由不锈钢、树脂等的网构成。磁性材料粒子106借助树脂粘合剂等而成为一体时，也可以由c环、o环代用。利用材料分隔部104，可以在所述材料填充部103被固定在中空容器102内的状态下，使储气部105中的所述制冷剂107通过材料填充部103。
[储气部105]
储气部105由第二非活性气体110和制冷剂107构成，第二非活性气体110可以使用氮气和氩气，或氮与氩的混合气体等。与第一非活性气体108同样，通过在磁冷却循环中，第二非活性气体110使所述制冷剂107起泡，从而能够使制冷剂107中的溶存氧浓度降低，减轻磁性材料粒子106的腐蚀等的劣化。
储气部105(低温侧的储气部105和高温侧的储气部的合计)可以是中空容器102的5vol％以上、10vol％以上、15vol％以上或25vol％以上，优选为10vol％以上。储气部105可以是中空容器102的70vol％以下、60vol％以下、50vol％以下或40vol％以下，优选为50vol％以下。还有，在本说明书中所谓“中空容器102的～vol％”，意思是相对于空的中空容器102的内容积的体积比。低温侧的储气部105与高温侧的储气部的体积比，例如可以是0.2/0.8～0.8/0.2或0.3/0.7～0.7/0.3。
在磁冷却循环中，第二非活性气体110被输送至材料填充部103，以补充从材料填充部103向储气部105流失的第一非活性气体108的不足部分。因为储气部105需要在磁冷却循环中持续向材料填充部103内供给非活性气体，所以优选储气部105具有能够防止第二非活性气体110向磁冷却设备101的外部流失的形状(例如，阀结构和盖结构等)。
[磁性材料粒子106]
作为磁性材料粒子106，能够使用由公知的磁热材料构成的粒子，可以根据磁冷却循环中的环境温度和达成目标的冷却能力等适宜选择。作为磁热材料的例子，可列举Gd1－ aMa[式中，M是从Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho和Er所构成的群中选择的至少一种以上的元素(例如M是Y)，0≤a≤0.5(例如0≤a≤0.1，和0≤a≤0.05等)]等的Gd系磁热材料；(La1－ bReb)(Fe1－c－dTMcSid)13He[式中，Re是从Ce、Pr、Nd、Pm、Sm和Gd所构成的群中选择的至少一种稀土元素，TM是从V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu和Zn所构成的群中选择的至少一种过渡金属元素，b、c、d和e分别为0≤b≤0.2、0≤c≤0.04、0.09≤d≤0.13、0≤e≤1.5)等的La(FeSi)13系磁热材料等。
磁性材料粒子106的粒径d可以为100μm以上、200μm以上、300μm以上、400μm以上或500μm以上，优选为300μm以上。磁性材料粒子106的粒径d可以为3000μm以下、2500μm以下、2000μm以下、1500μm以下或1000μm以下，优选为2000μm以下。粒径d为100μm以上时，输送制冷剂107时的压力损失变小，因此能够减少用于输送制冷剂107的耗电。另一方面，粒径d小于3000μm时，因为磁性材料粒子106与制冷剂107接触的表面积变大，所以磁性材料粒子106与制冷剂107的热交换性会显著上升。所谓“粒径”，意思是使用激光衍射/散射式粒子分布测量装置能够测量的体积基准粒度分布测量中的d50的值。
磁性材料粒子106在材料填充部103的填充率，可以是材料填充部103的40vol％以上、45vol％以上、50vol％以上、55vol％以上或60vol％以上，优选为50vol％以上。磁性材料粒子106在材料填充部103的填充率，可以是材料填充部103的90vol％以下、85vol％以下、80vol％以下、75vol％以下或70vol％以下，优选为80vol％以下。如果是40vol％以上，则磁性材料粒子106基于磁热效应的冷却能力能够提高，如果是90vol％以下时，可降低输送制冷剂107时的压力损失，能够降低用于输送制冷剂107的耗电。
若进行磁冷却循环，则材料填充部103沿着磁冷却设备101纵长方向发生温度梯度。因此，优选材料填充部103在温度梯度形成时的各个温度区域显现出高磁热效应的磁性材料粒子106在材料填充部103的纵长方向上被多层化。
[制冷剂107]
制冷剂107位于材料填充部103的所述磁性材料粒子106间的空隙或储气部105。作为制冷剂107，可以使用纯水、醇(甲醇、乙醇、乙二醇、甘油、丙醇等)、醇水溶液等的公知的制冷剂。为了实现稳定的磁冷却循环，优选使用沸点和凝固点在磁冷却装置到达的温度域以外的制冷剂。
[非活性气体]
磁冷却设备具有非活性气体。所谓非活性气体，就是对于磁性材料粒子化学反应性低的气体。意味着非活性气体是氧含量为10vol％以下、8vol％以下、5vol％以下、2.5vol％以下或1vol％以下，优选为2.5vol％以下的气体。非活性气体也可以实质上不包含氧。非活性气体可以是氮气、氩气、氮与氩的混合气体等。使用非活性气体，能够使作为本发明的效果的磁性材料粒子106与制冷剂107的热交换性提高。另外，在磁冷却循环中，非活性气体使制冷剂107起泡，由此能够使制冷剂107中的溶存氧浓度降低，减轻磁性材料粒子106的腐蚀等的劣化。
第一非活性气体108是位于材料填充部103的所述磁性材料粒子106间的空隙的非活性气体。第二非活性气体110是位于储气部105的非活性气体。
非活性气体在中空容器102中的体积分率，可以是1vol％以上、2vol％以上、3vol％以上、5vol％以上、6vol％以上、7vol％以上或8vol％以上，优选为6vol％以上。非活性气体在中空容器102中的体积分率，可以是12vol％以下、10vol％以下、9vol％以下或8vol％以下，优选为10vol％以下。
＜磁冷却装置111＞
为了进行本发明的磁冷却设备101的冷却能力的评价，制作磁冷却装置111。图2是磁冷却装置111的示意性的结构剖视图。磁冷却装置111，以本发明的磁冷却设备101为中心，在其中空容器纵长方向两端，经由配管连接有非活性气体导入部112，再在其外侧的一方连接低温用热交换器113，在另一端连接高温用热交换器114，在低温用热交换器113与高温用热交换器114之间设置有制冷剂输送装置109，形成制冷剂的闭合回路。另外，在制冷剂闭合回路的外部，用于向磁冷却设备施加磁场的磁场调制装置115与磁冷却设备邻接设置。
[制冷剂输送装置109]
制冷剂输送装置109，例如由活塞泵和旋转泵构成。优选制冷剂输送装置109根据后述的磁场调制装置115的操作进行控制。若将非活性气体导入磁冷却设备101，则由于液体与气体的压缩性等的不同，与磁冷却设备101的内部不存在非活性气体的情况相比，制冷剂输送装置109的操作所对应的实际的制冷剂输送的响应性发生变化。由于磁性材料粒子106的熵变而产生的热和冷的热输送量，在磁场调制装置115与实际的制冷剂输送的操作时机上受到影响，因此，为了使冷却能力提高，需要根据非活性气体导入量，适宜修正磁场调制装置115与制冷剂输送装置109的操作时机。
[非活性气体导入部112]
非活性气体导入部112例如由三向阀构成，可以设置在磁冷却设备101的中空容器纵长方向的两端。通过在磁冷却设备101上连接的制冷剂闭合回路中充满制冷剂107后，从非活性气体导入部112将非活性气体导入磁冷却设备101，从而可以控制磁冷却设备101内的非活性气体量。
[低温用热交换器113和高温用热交换器114]
作为低温用热交换器113和高温用热交换器114，能够使用管式热交换器(多管式或单管式)的热交换器、板式热交换器、翅片管式热交换器、螺旋式热交换器、盘管式热交换器、冷凝式热交换器、空冷式热交换器等的各种热交换器。
[磁场调制装置115]
磁场调制装置115由组装有永磁体的磁路构成，控制磁路与磁冷却设备101的相对位置，能够使之周期性地变化。通过磁场调制装置115与电动气缸等连接，进行周期运动，能够使与磁冷却设备101的相对位置变化。周期运动可以连续***作，其频率可以为0.01Hz以上、0.1Hz以上或0.3Hz以上，可以为10Hz以下、5Hz以下或1Hz以下。
磁热效应的熵变依赖于磁场的大小，因此，希望磁场调制装置115能够向磁冷却设备101施加强磁场。磁场调制装置115能够使施加于磁冷却设备101的磁场强度，例如在0～5T、0～3T或0～1T之间变化。
＜磁冷却方法＞
说明使用了包含磁冷却设备101的磁冷却装置111的磁冷却的步骤。图3A～D是磁冷却装置111的操作步骤的说明图。
[步骤1：磁性材料粒子106的发热反应]
通过使磁场调制装置115的磁路靠近磁冷却设备101的中空容器侧面，从而对磁冷却设备施加磁场，材料填充部103中的磁性材料粒子106发热。(图3A)
[步骤2：向高温侧热交换器的热输送]
通过使制冷剂输送装置109工作，将磁冷却设备101中的制冷剂107从低温用热交换器113侧，输出到高温用热交换器114侧。在磁性材料粒子106与制冷剂107之间进行热交换，制冷剂107以蓄积热量的状态被输送，因此向高温用热交换器114输送热。(图3B)
[步骤3：磁性材料粒子106的冷却反应]
通过使靠近磁冷却设备101的中空容器侧面的磁场调制装置115的磁路，远离磁冷却设备101的中空容器侧面，从而去除施加于磁冷却设备的磁场，由此材料填充部103中的磁性材料粒子106被冷却。(图3C)
[步骤4：向低温用热交换器的冷输送]
由制冷剂输送装置109将制冷剂107从高温用热交换器114侧输送至低温用热交换器113侧，由此在磁性材料粒子106与制冷剂107之间进行热交换，制冷剂107以蓄冷的状态被输送，因此向低温用热交换器113输送冷。(图3D)
通过重复该步骤1～步骤4的操作，一边在材料填充部103的纵长方向形成温度梯度，一边对于低温用热交换器113与高温用热交换器114形成温度差。通过测量磁冷却循环中的磁冷却设备101末端的高温用热交换器114侧与低温用热交换器113侧的温度差(ΔT)，能够评价磁冷却装置111的冷却能力。
在步骤1～4的循环中，制冷剂107的流速可以为20mm/s以上、30mm/s以上、40mm/s以上或50mm/s以上。制冷剂107的流速可以为80mm/s以下、75mm/s以下、70mm/s以下或65mm/s以下。流速为20mm/s以上时，单位时间在磁冷却设备101内移动的热量变大，磁冷却装置作为冷却装置能够良好地发挥功能。另外，流速小于80mm/s时，因压力损失造成的耗电显著减少，除此以外，磁性材料粒子106内部的热交换充分进行，能够作为冷却装置良好地发挥功能。所谓制冷剂107的“流速”，是用制冷剂输送装置109在操作时的吐出速度，除以储气部105的截面积而计算出的线速度。
磁冷却设备具备的磁性材料粒子106的粒径d(μm)和制冷剂107的流速v(mm/s)的条件，与这时的非活性气体108在中空容器102中的体积分率x(vol％)满足的关系可以如下。
x≤2.1v2/d，且1≤x≤12 (1)
式(1)表示在一定的粒径、一定的流速的范围内，粒径越小，流速越快，非活性气体108越容易搅拌。非活性气体相对于粒径和流速的关系式而被过剩地导入时，导入的一部分非活性气体未得到搅拌而滞留在磁冷却设备101内的上部，因此相比尾流区域搅拌的效果，磁冷却设备101整体的热容降低的效果变大，推定为ΔT减少。
根据本实施方式，利用所述非活性气体在所述磁性材料粒子106间的流动存在时间上、空间上的偏差，可有效地搅拌磁性材料粒子106的尾流区域，能够提高磁性材料粒子106与制冷剂107的热交换性。由此，可以提供基于磁热效应的冷却能力高的磁冷却设备101。
【实施例】
以下，展示实施例和比较例，更具体地说明本发明，但本发明不受这些例子限定。
[实施例1－1]
为了调查构成材料填充部103的非活性气体的导入量带来的ΔT的变化，使用图2所示这样的磁冷却装置111连续操作，测量操作开始1小时后的ΔT。本实施例的磁冷却设备101的具体的构成如下。
(材料填充部103)
磁性材料粒子106使用平均粒径600μm的Gd系合金，计90g。磁性材料粒子106的填充率是材料填充部103的62vol％。为了使磁热效应容易显现，从材料填充部103的低温侧到高温侧，按Gd0.95Y0.05、Gd0.975Y0.025、Gd的顺序，以重量比例1:1:2的方式使磁性材料粒子106多层化填充。制冷剂107使用纯水，作为非活性气体，在中空容器102中导入氮气1vol％。
(储气部105)
中空容器102使用内径Φ14mm的圆筒容器，其构成为，在其两端安装盖，所述盖在中空容器102的同轴上连接有外径Φ6.35mm的配管，使中空容器102的纵长方向与地面保持水平而设置，由此成为第二非活性气体110不会从磁冷却设备101流失的形状。储气部105在中空容器102中的体积分率为40vol％。
(材料分隔部104)
材料分隔部104使用网眼大小为0.06mm的不锈钢制网，固定有材料填充部103的磁性材料粒子106。
另外，用于评价的磁冷却装置111的构成如下。
(制冷剂输送装置109)
制冷剂输送装置109使用内径为Φ25mm的活塞泵。制冷剂输送装置109操作时的制冷剂107的流速为60mm/s。
(低温用热交换器113和高温用热交换器114)
作为低温用热交换器113和高温用热交换器114，使用外径为Φ6.35mm，长度为0.5m的铜管。
(磁场调制装置115)
磁场调制装置115由使用了永磁体的磁路构成，可以对磁冷却设备101施加平均1.0T的磁场。磁场调制装置115与电动气缸连接，通过进行往复运动，从而使与磁冷却设备101的相对位置变化，能够使施加于磁冷却设备101的磁场强度在0～1.0T之间变化。往复运动以0.5Hz连续操作。ΔT的测量结果显示在表1中。还有，以制冷剂107置换磁冷却设备101的第一非活性气体108和第二非活性气体110，除此以外，同样进行磁冷却循环，与这一情况比较的ΔT的增加量也显示在表1中。
[实施例1－2]
将非活性气体在中空容器中的体积分率变更为2vol％，除此以外，均与实施例1－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表1中。
[实施例1－3]
将非活性气体在中空容器中的体积分率变更为6vol％，除此以外，均与实施例1－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表1中。
[实施例1－4]
将非活性气体在中空容器中的体积分率变更为10vol％，除此以外，均与实施例1－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表1中。
[实施例1－5]
将非活性气体在中空容器中的体积分率变更为12vol％，除此以外，均与实施例1－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表1中。
[比较例1－1]
以制冷剂107置换第一非活性气体108和第二非活性气体110，除此以外，均与实施例1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表1中。
[比较例1－2]
将非活性气体在中空容器中的体积分率变更为0.5vol％，除此以外，均与实施例1－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表1中。
[比较例1－3]
将非活性气体在中空容器中的体积分率变更为14vol％，除此以外，均与实施例1－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表1中。
[实施例2－1]
为了调查第一非活性气体108在中空容器中体积分率为1vol％时，磁性材料粒子106的粒径和制冷剂107的流速对ΔT造成的影响，使非活性气体在中空容器中的体积分率为1vol％，将制冷剂107的流速、磁性材料粒子106的平均粒径分别以20mm/s、100μm置换，除此以外，均与实施例1－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量结果显示在表2中。还有，将磁冷却设备101的第一非活性气体108和第二非活性气体110以制冷剂107置换，除此以外均同样地进行磁冷却循环，与这一情况比较的ΔT的增加量也显示在表2中。
[实施例2－2]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、40mm/s置换，除此以外，均与实施例2－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表2中。
[实施例2－3]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、60mm/s置换，除此以外，均与实施例2－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表2中。
[实施例2－4]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例2－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表2中。
[实施例2－5]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm、40mm/s置换，除此以外，均与实施例2－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表2中。
[实施例2－6]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm、60mm/s置换，除此以外，均与实施例2－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表2中。
[实施例2－7]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例2－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表2中。
[实施例2－8]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、40mm/s置换，除此以外，均与实施例2－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表2中。
[实施例2－9]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、60mm/s置换，除此以外，均与实施例2－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表2中。
[实施例2－10]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例2－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表2中。
[实施例3－1]
为了调查第一非活性气体108在中空容器中的体积分率为4vol％时，磁性材料粒子106的粒径和制冷剂107的流速对ΔT造成的影响，将非活性气体在中空容器中的体积分率以4vol％置换，除此以外，均与实施例2－1同样地进行磁冷却循环。结果显示在表3中。还有，除了将磁冷却设备101的非活性气体以制冷剂107置换以外，均同样地进行磁冷却循环，与这一情况比较的ΔT的增加量也显示在表3中。
[实施例3－2]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm，40mm/s置换，除此以外，均与实施例3－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表3中。
[实施例3－3]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、60mm/s置换，除此以外，均与实施例3－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表3中。
[实施例3－4]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例3－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表3中。
[实施例3－5]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm、60mm/s置换，除此以外，均与实施例3－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表3中。
[实施例3－6]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm，80mm/s置换，除此以外，均与实施例3－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表3中。
[实施例3－7]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例3－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表3中。
[比较例3－1]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、20mm/s置换，除此以外，均与实施例3－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表3中。
[比较例3－2]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、40mm/s置换，除此以外，均与实施例3－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表3中。
[实施例4－1]
为了调查第一非活性气体108在中空容器中的体积分率为7vol％时，磁性材料粒子106的粒径和制冷剂107的流速对ΔT造成的影响，将非活性气体在中空容器中的体积分率以7vol％置换，除此以外，均与实施例2－1同样地进行磁冷却循环。结果显示在表3中。还有，除了以制冷剂107置换磁冷却设备101的第一非活性气体108和第二非活性气体110以外，均同样地进行磁冷却循环，与这一情况比较的ΔT的增加量也显示在表3中。
(实施例4－2)
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、40mm/s置换，除此以外，均与实施例4－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表4中。
[实施例4－3]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、60mm/s置换，除此以外，均与实施例4－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表4中。
[实施例4－4]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例4－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表4中。
[实施例4－5]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例4－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表4中。
[比较例4－1]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm、20mm/s置换，除此以外，均与实施例4－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表4中。
[比较例4－2]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm、40mm/s置换，除此以外，均与实施例4－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表4中。
[比较例4－3]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、20mm/s置换，除此以外，均与实施例4－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表4中。
[比较例4－4]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、40mm/s置换，除此以外，均与实施例4－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表4中。
[比较例4－5]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、60mm/s置换，除此以外，均与实施例4－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表4中。
[比较例4－6]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例4－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表4中。
[实施例5－1]
为了调查第一非活性气体108在中空容器的体积分率为10vol％时，磁性材料粒子106的粒径和制冷剂107的流速对ΔT造成的影响，使非活性气体在中空容器中的体积分率为10vol％，将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、40mm/s置换，除此以外，均与实施例2－1同样地进行磁冷却循环。结果显示在表5中。还有，除了以制冷剂107置换磁冷却设备101的非活性气体以外，同样进行磁冷却循环，与此情况比较的ΔT的增加量也显示在表5中。
[实施例5－2]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、60mm/s置换，除此以外，均与实施例5－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表5中。
[实施例5－3]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例5－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表5中。
[实施例5－4]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例5－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表5中。
[比较例5－1]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm、20mm/s置换，除此以外，均与实施例5－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表5中。
[比较例5－2]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm、40mm/s置换，除此以外，均与实施例5－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表5中。
[比较例5－3]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、20mm/s置换，除此以外，均与实施例5－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表5中。
[比较例5－4]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、40mm/s置换，除此以外，均与实施例5－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表5中。
[比较例5－5]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、60mm/s置换，除此以外，均与实施例5－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表5中。
[比较例5－6]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例5－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表5中。
[实施例6－1]
为了调查第一非活性气体108在中空容器中的体积分率为12vol％时，磁性材料粒子106的粒径和制冷剂107的流速对ΔT造成的影响，使非活性气体在中空容器中的体积分率为12vol％，将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、40mm/s置换，除此以外，均与实施例2－1同样地进行磁冷却循环。结果显示在表6中。还有，除了以制冷剂107置换磁冷却设备101的非活性气体以外，同样地进行磁冷却循环，与这一情况比较的ΔT的增加量也显示在表6中。
[实施例6－2]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、60mm/s置换，除此以外，均与实施例6－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表6中。
[实施例6－3]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以100μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例6－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表6中。
[实施例6－4]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例6－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表6中。
[比较例6－1]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm、20mm/s置换，除此以外，均与实施例6－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表6中。
[比较例6－2]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以1000μm、40mm/s置换，除此以外，均与实施例6－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表6中。
[比较例6－3]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、20mm/s置换，除此以外，均与实施例6－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表6中。
[比较例6－4]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、40mm/s置换，除此以外，均与实施例6－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表6中。
[比较例6－5]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、60mm/s置换，除此以外，均与实施例6－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表6中。
[比较例6－6]
将磁性材料粒子106的平均粒径和制冷剂107的流速分别以2000μm、80mm/s置换，除此以外，均与实施例6－1同样地进行磁冷却循环。ΔT的测量评价结果显示在表6中。
由实施例1和比较例1可知，非活性气体在中空容器中的体积分率小于1vol％时，无ΔT的增加效果。这是由于，非活性气体在中空容器中的体积分率微量时，非活性气体滞留在构成磁冷却设备101的中空容器102与磁性材料粒子106的界面，无法搅拌磁性材料粒子106的尾流区域。另外，通过对于比较例1－1和比较例1－3进行比较可知，非活性气体在中空容器中的体积分率大于13vol％时，也没有ΔT的增加的效果，而是ΔT减少。这是由于，非活性气体的压缩量增加，导致实际的制冷剂输送难以控制，除此之外，制冷剂107的体积分率减少造成的磁冷却设备101整体的热容降低带来的影响，比尾流区域搅拌带来的ΔT的增加效果大。
由实施例2～6和比较例可知，在制冷剂107的流速大，磁性材料粒子106的粒径小的条件下，通过第一非活性气体108的导入有ΔT增加的效果。由实施例2～6和比较例可知，非活性气体在中空容器中的体积分率为1～12vol％时，与不含非活性气体的情况相比，ΔT变大。此外还可知，如果非活性气体在中空容器中的体积分率为6～10vol％，则ΔT变得更大。
磁性材料粒子106的粒径和制冷剂107的流速满足一定的条件时，通过非活性气体的导入而产生ΔT的增加效果，另外可知，根据非活性气体的量，用于使ΔT增加的磁性材料粒子106的粒径和制冷剂107的流速的条件发生变化。根据这些结果，求得经非活性气体的导入而具有ΔT的增加效果的磁性材料粒子106的粒径d(μm)、制冷剂107的流速v(mm/s)及非活性气体108在中空容器102中体积分率x(vol％)所满足的关系。
此结果判明，满足以下关系时，通过非活性气体的导入而具有ΔT增加的效果。
x≤2.1v2/d，且1≤x≤12 (1)
【表1】
【表2】
【表3】
【表4】
【表5】
【表6】
以上，对于一些实施方式进行了说明，但应该理解为，不脱离专利请求的范围的宗旨和范围，可以对实施方式进行多样的变更。
【产业上的可利用性】
本发明的磁冷却设备，在有磁热效应的磁性材料与制冷剂间具有高热交换性，能够用于冷却(制冷)的用途。例如，在冰箱和冷库，用于氢液化工序的一部分的冷却装置，和空调装置和保温装置等的温度控制装置的用途中也能够适应。
Claims (11)
1.一种磁冷却设备，是在中空容器内具有如下而成的磁冷却设备：
材料填充部，所述材料填充部含有非活性气体、具有磁热效应的磁性材料粒子和制冷剂；
储气部，所述储气部在所述材料填充部的两端并含有所述制冷剂；和
材料分隔部，所述材料分隔部在所述材料填充部与所述储气部之间，
在所述磁冷却设备中，
所述非活性气体在中空容器中的体积分率为1vol％以上且12vol％以下。
2.根据权利要求1所述的磁冷却设备，其中，所述磁性材料的粒径为100μm以上且3000μm以下。
3.根据权利要求1或2所述的磁冷却设备，其中，所述磁性材料粒子是从Gd1－aMa和(La1－ bReb)(Fe1－c－dTMcSid)13He所构成的群中选择的至少一种，其中，
所述Gd1－aMa式中，M是从Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho和Er所构成的群中选择的至少一种元素，0≤a≤0.5，
所述(La1－bReb)(Fe1－c－dTMcSid)13He式中，Re是从Ce、Pr、Nd、Pm、Sm和Gd所构成的群中选择的至少一种的稀土元素，TM是从V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu和Zn所构成的群中选择的至少一种的过渡金属元素，b、c、d和e分别为0≤b≤0.2、0≤c≤0.04、0.09≤d≤0.13、0≤e≤1.5。。
4.根据权利要求3所述的磁冷却设备，其中，所述磁性材料是由组成式Gd1－aYa表示的合金，其中，0≤a≤0.05。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的磁冷却设备，其中，所述非活性气体的氧含量是10vol％以下。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的磁冷却设备，其中，所述非活性气体是从氮气、氩气、或氮与氩的混合气体所构成的群中选择的。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的磁冷却设备，其中，所述非活性气体在所述中空容器中的体积分率是6vol％以上且10vol％以下。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的磁冷却设备，其中，所述材料分隔部是网眼的大小比所述磁性材料的粒径小的网状结构。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的磁冷却设备，其中，所述储气部在中空容器中的体积分率为10vol％以上且50vol％以下。
10.一种磁冷却装置，其中，具备权利要求1～9中任一项所述的磁冷却设备。
11.一种磁冷却方法，是使用具备如下磁冷却设备的磁冷却装置的磁冷却方法，所述磁冷却设备是在中空容器内具有如下而成的磁冷却设备：
材料填充部，所述材料填充部含有非活性气体、具有磁热效应的磁性材料粒子和制冷剂；
储气部，所述储气部在所述材料填充部的两端并含有所述制冷剂；和
材料分隔部，所述材料分隔部在所述材料填充部与所述储气部之间，
在所述磁冷却方法中，
所述磁性材料的粒径d为100μm以上且3000μm以下，
所述制冷剂在磁冷却循环中的流速v为20mm/s以上且80mm/s以下，
所述非活性气体在中空容器中的体积分率x为1vol％以上且12vol％以下，
并满足下式(1)
x≤2.1v2/d，且1≤x≤12 (1)。
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