JP2015141016A - 磁気冷却器およびこれを含む冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、効率を改善して冷凍能力を高めることができる磁気冷却器およびこれを含む冷却装置を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態による磁気冷却器は、高温端熱交換器と、低温端熱交換器と、前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間で温度勾配を形成する磁性体と、熱交換媒質と、を含み、下記関係式１を満たす。[関係式１]ｋ＝Ｔｈ／Ｔｃ＝ΔＳｃ／ΔＳｈ＞１（前記式中、Ｔｈは、高温端熱交換器の温度であり、Ｔｃは、低温端熱交換器の温度であり、ΔＳｈは、Ｔｈにおける磁性体のエントロピー変化量であり、ΔＳｃは、Ｔｃにおける磁性体のエントロピー変化量である。）【選択図】図３

Description

本発明は、磁気冷却器およびこれを含む冷却装置に関する。

冷蔵庫または冷凍庫のような冷却装置は、冷媒が圧縮−凝縮−膨張−蒸発する冷凍サイクルを繰り返すことによって温度を低くした状態にする装置であって、低温低圧のガス冷媒を高温高圧のガス冷媒へ昇温および昇圧する段階と、前記高温高圧の冷媒を外気により凝縮させる段階と、前記凝縮された冷媒を減圧させる段階と、前記減圧された冷媒を低圧状態で蒸発させて熱を吸収する段階とを含む。このような冷却装置は、温室効果が大きいガス冷媒を用いているため、環境的な観点で限界がある。

したがって、ガス冷媒を用いない、環境に優しいながらも高効率である冷却装置に対する研究が活発に行われている。このような方案の一つとして、磁性体（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）と永久磁石を用いる磁気冷却器に対する研究が行われている。

磁気冷却器は、磁性体が磁場によりスピン整列が変化しながら加熱または冷却される磁気熱効果（ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）を利用して冷却する方式として、環境に優しく、低騒音および高効率を達成できる新たな冷却技術として脚光を浴びている。

磁気冷却器の一種で能動型磁気蓄冷器（ａｃｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）があり、能動型磁気蓄冷器を常温で適用するための研究が進められている（特許文献１参照）。

特表２０１４−５１８３７１号公報

本発明は、効率を改善して冷凍能力を高めることができる磁気冷却器を提供する。
また、前記磁気冷却器を含む冷却装置を提供する。

本発明は、高温端熱交換器と、低温端熱交換器と、前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間で温度勾配を形成する磁性体と、熱交換媒質と、を含み、下記関係式１を満たす磁気冷却器を提供する。
[関係式１]
ｋ＝Ｔ_ｈ／Ｔ_ｃ＝ΔＳ_ｃ／ΔＳ_ｈ＞１
前記式中、
Ｔ_ｈは、高温端熱交換器の温度であり、
Ｔ_ｃは、低温端熱交換器の温度であり、
ΔＳ_ｈは、Ｔ_ｈにおける磁性体のエントロピー変化量であり、
ΔＳ_ｃは、Ｔ_ｃにおける磁性体のエントロピー変化量である。

前記磁性体は、金属、半金属、これらの合金、これらの酸化物またはこれらの組み合わせを含むことができる。

前記磁性材料は、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム（Ｇａ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、リン（Ｐ）、およびビスマス（Ｂｉ）から選ばれた少なくとも一つ、これらの合金、これらの酸化物、これらの窒化物またはこれらの組み合わせを含むことができる。

前記磁性体は、粒子形態で含まれてもよい。

前記磁性体は、前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間で体積または質量を変化させて前記関係式１のエントロピー変化量を調節することができる。

前記磁性体は、前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間でエントロピー変化量が線形的に変化することができる。

前記磁性体は、前記低温端熱交換器から前記高温端熱交換器までエントロピー変化量が線形的に減少することができる。

前記磁性体は、磁気相転移温度が相異なる２種類以上を含むことができる。

前記磁気冷却器は、１＜ｋ≦１．２を満たすことができる。

前記磁気冷却器は、１＜ｋ≦１．１５を満たすことができる。

他の発明によれば、前記磁気冷却器を含む冷却装置を提供する。

磁気冷却器の効率を改善して冷凍能力を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る磁気冷却器を示す概略図である。 パラメータｋに対するエントロピー変化量を示すグラフである。 実施例１乃至４に係る磁気冷却器のｋによる冷凍能力を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳しく説明する。しかし、本発明は、多様な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。

次に、一実施形態に係る磁気冷却器について図１を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る磁気冷却器を示す概略図である。

図１を参照すれば、一実施形態に係る磁気冷却器は、高温端熱交換器（ｈｏｔ−ｅｎｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）１０と、低温端熱交換器（ｃｏｌｄ−ｅｎｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）２０と、高温端熱交換器１０と低温端熱交換器２０の間で温度勾配を形成する磁性体３０と、熱交換媒質（図示せず）とを含む。

磁気冷却器は、能動型磁気蓄冷器（ａｃｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ：ＡＭＲ）であってもよく、磁性体が磁気熱量物質（ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）で用いられ、熱交換媒質が磁気冷却器の内部を往復しながら熱伝達できる。磁気熱量エントロピーによる磁気熱量物質の熱は、外部磁場が適用されることによって変化することができ、そのために、高温端熱交換器１０と低温端熱交換器２０の間に温度差が発生し得る。外部磁場は、例えば、超伝導磁石、電磁石または永久磁石を用いて印加されてもよく、例えば永久磁石であり得る。前記永久磁石は、磁性体３０との相対的な往復運動を通じて磁性体３０を磁化または脱磁化することができる。

磁性体３０は、磁気相転移（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）による磁気熱効果を奏することができる磁気熱物質（ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）であれば限定されず、例えば金属、半金属、これらの合金、これらの酸化物またはこれらの組み合わせを含むことができる。磁性体３０は、例えば鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム（Ｇａ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、リン（Ｐ）、 およびビスマス（Ｂｉ）から選択された少なくとも一つ、これらの合金、これらの酸化物、これらの窒化物またはこれらの組み合わせを含むことができる。

磁性体３０は、常温（約３００Ｋ）近傍で磁気相転移温度（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を有することができる。磁気相転移温度は、磁気熱物質が強磁性状態から常磁性状態へ変化する地点の温度で、磁気相転移温度よりも低い温度では強磁性状態で存在し、磁気相転移温度よりも高い温度では常磁性状態へ変化し得る。したがって、常温近傍で磁気相転移温度を有することによって冷蔵庫またはエアコンのような冷却装置に有用に適用可能である。

磁性体３０は、粒子（ｐａｒｔｉｃｌｅ）形態で含まれてもよく、前記粒子は、例えば微細結晶粒子であり得る。

磁性体３０は、約１ｎｍ乃至１０００μｍの粒径を有することができる。前記範囲の粒径を有することによって磁気履歴および熱履歴によるクラックの発生を防止乃至緩和することができるため、磁気冷却効率および寿命特性を改善することができる。前記範囲内で約１０ｎｍ乃至７００μｍの粒径を有することができ、前記範囲内で約１００ｎｍ乃至６００μｍの粒径を有することができる。

磁性体３０は、粒径が相異なる２種類以上を含むことができ、この時、粒径偏差は約３０μｍ以下、例えば約５ｎｍ乃至３０μｍであり得る。前記範囲の粒径偏差を有することによって磁気履歴および熱履歴によるクラックの発生を防止乃至緩和することができるため、磁気冷却効率および寿命特性を改善することができる。前記範囲内で約２０ｎｍ乃至２０μｍの粒径偏差を有することができ、前記範囲内で約１００ｎｍ乃至１０μｍの粒径偏差を有することができる。

前記熱交換媒質は、例えば、水、エチレングリコールまたはこれらの組み合わせであり得るが、これに限定されない。

前記磁気冷却器は、下記関係式１を満たすように磁性体３０を配置することができる
[関係式１]
ｋ＝Ｔ_ｈ／Ｔ_ｃ＝ΔＳ_ｃ／ΔＳ_ｈ＞１
前記式中、
Ｔ_ｈは、高温端熱交換器の温度であり、
Ｔ_ｃは、低温端熱交換器の温度であり、
ΔＳ_ｈは、Ｔ_ｈにおける磁性体のエントロピー変化量であり、
ΔＳ_ｃは、Ｔ_ｃにおける磁性体のエントロピー変化量である。

前記関係式１は、磁気冷却器の最高温度、つまり高温端熱交換器の温度と、磁気冷却器の最低温度、つまり低温端熱交換器の温度と、前記温度らにおける磁性体のエントロピー変化量間の関係を究明して磁気冷却器の効率を改善する方案を模索することができる。

理論的に、磁気冷却器の内部の熱量Ｑと外部で与えられる仕事Ｗは、下記関係式２で表され得る。
[関係式２]
Ｑ_ｈ＝Ｑ_ｃ＋Ｗ
前記式中、Ｑ_ｈは、高温端熱交換器における熱量であり、Ｑ_ｃは、低温端熱交換器における熱量であり、Ｗは、外部で与えられる仕事である。

ここで、Ｑ_ｈとＱ_ｃは、それぞれ下記関係式２−１および２−２で定義され得る。
[関係式２−１]
Ｑ_ｈ＝Ｔ_ｈ×ΔＳ_ｈ
[関係式２−２]
Ｑ_ｃ＝Ｔ_ｃ×ΔＳ_ｃ
前記式２−１および２−２中、
Ｑ_ｈは、高温端熱交換器における熱量であり、
Ｑ_ｃは、低温端熱交換器における熱量であり、
Ｔ_ｈは、高温端熱交換器の温度であり、
ΔＳ_ｈは、Ｔ_ｈにおける磁性体のエントロピー変化量であり、
Ｔ_ｃは、低温端熱交換器の温度であり、
ΔＳ_ｃは、Ｔ_ｃにおける磁性体のエントロピー変化量である。

前記関係式２、２−１および２−２で、１サイクルにおいて外部で仕事が供給されずにサイクルが完結することを考慮すれば、Ｗ＝０と仮定することができる。Ｗ＝０は、外部仕事を最小とする場合で、最高効率である場合を仮定することができる。

この時、前記関係式２、２−１および２−２は下記関係式３を満たすことができ、そのために、下記関係式４が成立することができる。
[関係式３]
Ｔ_ｈ×ΔＳ_ｈ＝Ｔ_ｃ×ΔＳ_ｃ
[関係式４]
Ｔ_ｈ／Ｔ_ｃ＝ΔＳ_ｃ／ΔＳ_ｈ
前記関係式４をパラメータｋと定義するとき、ｋは、高温端熱交換器１０と低温端熱交換器２０の磁性体エントロピー変化の比率または低温端熱交換器２０の温度と高温端熱交換器１０の温度の比率で定義することができる。

図２は、パラメータｋに対するエントロピー変化量を示すグラフである。

図２を参照すれば、前記関係式１のようにｋ＞１である場合、エントロピー変化は温度に応じて線形的に変化することができ、具体的には低温端熱交換器２０から高温端熱交換器１０までエントロピー変化量が線形的に減少することができる。

磁気冷却器の冷凍能力は、ｋ値に依存してｋ＞１である場合、磁気冷却器の冷凍能力が顕著に改善され得る。したがって、ｋ＞１を満たすように高温端熱交換器１０と低温端熱交換器２０の間の磁性体３０のエントロピー変化量を調節することができ、例えば高温端熱交換器１０と低温端熱交換器２０の間で磁性体３０の体積または質量を変化させてエントロピー変化量を調節することができる。

前記範囲内で１＜ｋ≦１．２を満たすことができ、前記範囲内で１＜ｋ≦１．１５を満たすことができ、前記範囲内でｋは約１．１５であり得る。

このように磁性体３０のエントロピー変化量に基づいて磁性体３０の配置を決定することによって磁気冷却器内部で熱量を一定に調節することができ、そのために、効率を改善することができる。

一般に磁性体のエントロピー変化（ΔＳ）は、磁気相転移温度の近傍でピーク（ｐｅａｋ）を有し、それ以外の温度へ行きながら減少する傾向にある。そのために、エントロピー変化（ΔＳ）に応じて発生する熱量であるＱ＝Ｔ×ΔＳは、磁気冷却器の内部の温度に応じて一定でないこともあり、このような熱量の不均一は、磁気冷却器の内部で熱損失を発生させて効率を落とし得る。本実施形態では最も高い効率を得られる磁性体のエントロピー変化を設定し、それに合わせて磁性体を配置することによって磁気冷却器の効率低下を防止し、効率上昇を図ることができる。

磁性体３０は、磁気相転移温度が相異なる２種類以上を含むことができる。そのために、冷却効果を奏することができる温度区間を拡大することができ、その結果、作動温度範囲を拡大することができる。

前記磁気冷却器は、磁気熱効果が要求される多様な装置に適用可能であり、例えば磁気冷却装置、磁気熱発電機および磁気熱ポンプに適用可能であるが、これに限定されない。

以下、本記載の実施例を記載する。しかし、下記実施例は本記載の一実施例に過ぎず、本記載が下記実施例により限定されない。

（実施例１）
表１の条件により磁気冷却器を設定してサイクルシミュレーションを実行した。

ここで磁性体は、０．２ｍｍの粒径を有するＧｄ磁性体を用い、前記関係式１を満たすように磁気冷却器の内部の温度勾配に応じて磁性体を積層する。

（実施例２）
０．３ｍｍの粒径を有するＧｄ磁性体を用いたことを除いては、実施例１と同様な方法で磁気冷却器を設定してサイクルシミュレーションを実行した。

（実施例３）
０．４ｍｍの粒径を有するＧｄ磁性体を用いたことを除いては、実施例１と同様な方法で磁気冷却器を設定してサイクルシミュレーションを実行した。

（実施例４）
０．６ｍｍの粒径を有するＧｄ磁性体を用いたことを除いては、実施例１と同様な方法で磁気冷却器を設定してサイクルシミュレーションを実行した。

（評価）
図３は、実施例１乃至４に係る磁気冷却器のｋによる冷凍能力を示すグラフである。

図３を参照すれば、粒径と関係なくｋ＞１である場合、冷凍能力が急激に上昇することが確認できる。具体的には、ｋ＞１の場合は、ｋ＝１である場合と比較して冷凍能力が顕著に改善されることが確認でき、ｋが約１．１５である場合、冷凍能力が約２０％改善することが確認できる。

この結果から、磁気冷却器が最適効率を得るエントロピー変化量を有するように磁性体を配置することによって、磁気冷却器の大きさを大きくしたり磁性体の含有量を高くしたりしなくても冷凍能力を改善させることができるため、小型および軽量の磁気冷却器を実現することができる。

以上で本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲（技術的範囲）に属する。

１０…高温端熱交換器
２０…低温端熱交換器
３０…磁性体

Claims (11)

1. 高温端熱交換器と、
   低温端熱交換器と、
   前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間で温度勾配を形成する磁性体と、
   熱交換媒質と、
   を含み、
   下記関係式１を満たす磁気冷却器。
   [関係式１]
   ｋ＝Ｔ_ｈ／Ｔ_ｃ＝ΔＳ_ｃ／ΔＳ_ｈ＞１
   （前記式中、
   Ｔ_ｈは、高温端熱交換器の温度であり、
   Ｔ_ｃは、低温端熱交換器の温度であり、
   ΔＳ_ｈは、Ｔ_ｈにおける磁性体のエントロピー変化量であり、
   ΔＳ_ｃは、Ｔ_ｃにおける磁性体のエントロピー変化量である。）
2. 前記磁性体は、金属、半金属、これらの合金、これらの酸化物またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の磁気冷却器。
3. 前記磁性材料は、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム（Ｇａ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、リン（Ｐ）、およびビスマス（Ｂｉ）から選ばれた少なくとも一つ、これらの合金、これらの酸化物、これらの窒化物またはこれらの組み合わせを含む、請求項２に記載の磁気冷却器。
4. 前記磁性体は、粒子形態で含まれている、請求項１に記載の磁気冷却器。
5. 前記磁性体は、前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間で体積または質量を変化させて前記関係式１のエントロピー変化量を調節する、請求項１に記載の磁気冷却器。
6. 前記磁性体は、前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間でエントロピー変化量が線形的に変化する、請求項１に記載の磁気冷却器。
7. 前記磁性体は、前記低温端熱交換器から前記高温端熱交換器までエントロピー変化量が線形的に減少する、請求項１に記載の磁気冷却器。
8. 前記磁性体は、磁気相転移温度が相異なる２種類以上を含む、請求項１に記載の磁気冷却器。
9. １＜ｋ≦１．２を満たす、請求項１に記載の磁気冷却器。
10. １＜ｋ≦１．１５を満たす、請求項１に記載の磁気冷却器。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁気冷却器を含む冷却装置。