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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024065250
(43)【公開日】2024-05-15
(54)【発明の名称】磁気引力式磁気冷凍装置
(51)【国際特許分類】
F25B 21/00 20060101AFI20240508BHJP
【ＦＩ】
F25B21/00 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】18
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022173998
(22)【出願日】2022-10-31
(71)【出願人】
【識別番号】301023238
【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構
(72)【発明者】
【氏名】今中 康貴
(57)【要約】
【課題】より高い磁場やより早いサイクルの実現ができる磁気冷凍装置を提供する。
【解決手段】熱伝導率の高い材料にて構成されると共に、高温部８２、磁気冷凍作業室８４、低温部８６の３室に仕切られた空間を有する容器８０と、磁気冷凍作業室８４の中心軸方向に移動可能に収容された磁気冷凍材料８８と、高温部８２と磁気冷凍作業室８４の間に設けられた上部仕切り板８３近傍を磁場中心とする強磁場発生用の電磁石１０であって、容器８０の周縁側に位置する電磁石１０と、供給電流を所定のパターンで時間変化させながら電磁石１０に供給できる電源装置３０と、を備える磁気冷凍装置であって、磁気冷凍材料８８に対する磁場の断熱的な励磁消磁による磁気冷凍効果を生ずる磁気冷凍サイクルにより、低温部８６から高温部８２への熱移送を行うものである。
【選択図】図１
【解決手段】熱伝導率の高い材料にて構成されると共に、高温部８２、磁気冷凍作業室８４、低温部８６の３室に仕切られた空間を有する容器８０と、磁気冷凍作業室８４の中心軸方向に移動可能に収容された磁気冷凍材料８８と、高温部８２と磁気冷凍作業室８４の間に設けられた上部仕切り板８３近傍を磁場中心とする強磁場発生用の電磁石１０であって、容器８０の周縁側に位置する電磁石１０と、供給電流を所定のパターンで時間変化させながら電磁石１０に供給できる電源装置３０と、を備える磁気冷凍装置であって、磁気冷凍材料８８に対する磁場の断熱的な励磁消磁による磁気冷凍効果を生ずる磁気冷凍サイクルにより、低温部８６から高温部８２への熱移送を行うものである。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱伝導率の高い材料にて構成されると共に、高温部、磁気冷凍作業室、低温部の３室に仕切られた空間を有する容器と、
前記磁気冷凍作業室の中心軸方向に移動可能に収容された磁気冷凍材料と、
前記高温部と前記磁気冷凍作業室の間に設けられた上部仕切り板の近傍を磁場中心とする強磁場発生用の電磁石であって、前記容器の周縁側に位置する前記電磁石と、
供給電流を所定のパターンで時間変化させながら前記電磁石に供給できる電源装置と、
を備える磁気冷凍装置であって、
前記磁気冷凍材料に対する磁場の断熱的な励磁消磁による磁気冷凍効果を生ずる磁気冷凍サイクルにより、前記低温部から前記高温部への熱移送を行う磁気冷凍装置。
前記磁気冷凍作業室の中心軸方向に移動可能に収容された磁気冷凍材料と、
前記高温部と前記磁気冷凍作業室の間に設けられた上部仕切り板の近傍を磁場中心とする強磁場発生用の電磁石であって、前記容器の周縁側に位置する前記電磁石と、
供給電流を所定のパターンで時間変化させながら前記電磁石に供給できる電源装置と、
を備える磁気冷凍装置であって、
前記磁気冷凍材料に対する磁場の断熱的な励磁消磁による磁気冷凍効果を生ずる磁気冷凍サイクルにより、前記低温部から前記高温部への熱移送を行う磁気冷凍装置。
【請求項2】
前記磁気冷凍装置は前記容器の低温部と磁気冷凍作業室の間に設けられた下部仕切り板を有し、
前記磁気冷凍サイクルは、
前記電源装置から前記電磁石への給電をオンして、前記容器に印加する磁場をオンする断熱励磁過程と、
前記断熱励磁過程で、前記磁気冷凍材料は前記下部仕切り板側から上部仕切り板付近に引き寄せられながら前記磁気冷凍材料の温度が上昇し、
前記磁気冷凍材料は温度が上がった状態で、前記上部仕切り板と接触し、前記高温部へ熱を渡す、高温接触過程と、
一定の時間経過後、前記電源装置から前記電磁石への給電をオフして、前記容器に印加する磁場を消磁する断熱消磁過程と、
前記断熱消磁過程で、前記磁気冷凍材料は前記上部仕切り板との接触が切り離されると共に、温度が下がり、
磁気冷凍材料は前記容器内部を前記下部仕切り板側に移動して、前記下部仕切り板と熱接触することで、前記低温部の熱を吸収する、低温接触過程と、
を１サイクルとして、前記低温部から前記高温部への熱輸送を行う請求項１に記載の磁気冷凍装置。
前記磁気冷凍サイクルは、
前記電源装置から前記電磁石への給電をオンして、前記容器に印加する磁場をオンする断熱励磁過程と、
前記断熱励磁過程で、前記磁気冷凍材料は前記下部仕切り板側から上部仕切り板付近に引き寄せられながら前記磁気冷凍材料の温度が上昇し、
前記磁気冷凍材料は温度が上がった状態で、前記上部仕切り板と接触し、前記高温部へ熱を渡す、高温接触過程と、
一定の時間経過後、前記電源装置から前記電磁石への給電をオフして、前記容器に印加する磁場を消磁する断熱消磁過程と、
前記断熱消磁過程で、前記磁気冷凍材料は前記上部仕切り板との接触が切り離されると共に、温度が下がり、
磁気冷凍材料は前記容器内部を前記下部仕切り板側に移動して、前記下部仕切り板と熱接触することで、前記低温部の熱を吸収する、低温接触過程と、
を１サイクルとして、前記低温部から前記高温部への熱輸送を行う請求項１に記載の磁気冷凍装置。
【請求項3】
前記断熱消磁過程で、前記磁気冷凍材料と前記上部仕切り板との接触が切り離されるのは、重力又は前記磁気冷凍作業室に収容されている作動流体より駆動される請求項２に記載の磁気冷凍装置。
【請求項4】
前記断熱励磁過程又は断熱消磁過程における前記磁場のオンオフには、前記電源装置から前記電磁石への給電のオンオフに対する磁場発生応答時間に相当する、遅延時間が含まれる請求項２又は３に記載の磁気冷凍装置。
【請求項5】
さらに、前記容器の高温部と熱接触される高温側熱輸送媒体と、
前記容器の低温部と熱接触される低温側熱輸送媒体と、
を有する請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気冷凍装置。
前記容器の低温部と熱接触される低温側熱輸送媒体と、
を有する請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気冷凍装置。
【請求項6】
前記熱伝導率の高い材料は、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１乃至５の何れか１項に記載の磁気冷凍装置。
【請求項7】
熱伝導率の高い材料にて構成されると共に、高温部、熱スイッチ移動空間、磁気冷凍材料室、低温部の４室に仕切られた空間を有する容器と、
前記低温部側に一端が固定され、他端が熱スイッチ移動空間側に位置する磁気冷凍材料と、
前記磁気冷凍材料の中央近傍を磁場中心とする強磁場発生用の電磁石であって、前記容器の周縁側に位置する前記電磁石と、
前記熱スイッチ移動空間内に位置すると共に、磁性体を含んで構成される熱スイッチと、
供給電流を所定のパターンで時間変化させながら前記電磁石に供給できる電源装置と、
を備える磁気冷凍装置であって、
前記磁気冷凍材料に対する磁場の断熱的な励磁消磁による磁気冷凍効果を生ずる磁気冷凍サイクルにより、前記熱スイッチを前記磁気冷凍材料と接触する状態と、前記高温部と接触する状態と切り替えて、前記低温部から前記高温部への熱移送を行う磁気冷凍装置。
前記低温部側に一端が固定され、他端が熱スイッチ移動空間側に位置する磁気冷凍材料と、
前記磁気冷凍材料の中央近傍を磁場中心とする強磁場発生用の電磁石であって、前記容器の周縁側に位置する前記電磁石と、
前記熱スイッチ移動空間内に位置すると共に、磁性体を含んで構成される熱スイッチと、
供給電流を所定のパターンで時間変化させながら前記電磁石に供給できる電源装置と、
を備える磁気冷凍装置であって、
前記磁気冷凍材料に対する磁場の断熱的な励磁消磁による磁気冷凍効果を生ずる磁気冷凍サイクルにより、前記熱スイッチを前記磁気冷凍材料と接触する状態と、前記高温部と接触する状態と切り替えて、前記低温部から前記高温部への熱移送を行う磁気冷凍装置。
【請求項8】
さらに、重力方向に対して前記高温部は上側に設置され、前記低温部は前記高温部に対して下側に設置されると共に、
前記熱スイッチを前記高温部に接触する状態を維持する復元力を与えるバネを備え、
前記バネの復元力は前記電磁石の励磁による前記熱スイッチに対する磁気的吸引力よりも弱く構成された、
請求項７に記載の磁気冷凍装置。
前記熱スイッチを前記高温部に接触する状態を維持する復元力を与えるバネを備え、
前記バネの復元力は前記電磁石の励磁による前記熱スイッチに対する磁気的吸引力よりも弱く構成された、
請求項７に記載の磁気冷凍装置。
【請求項9】
さらに、重力方向に対して前記高温部は下側に設置され、前記低温部は前記高温部に対して上側に設置されると共に、
前記熱スイッチの重量は前記電磁石の励磁による前記熱スイッチに対する磁気的吸引力よりも軽く構成された、
請求項７に記載の磁気冷凍装置。
前記熱スイッチの重量は前記電磁石の励磁による前記熱スイッチに対する磁気的吸引力よりも軽く構成された、
請求項７に記載の磁気冷凍装置。
【請求項10】
前記磁気冷凍サイクルは、
前記電源装置から前記電磁石への給電をオフして、前記磁気冷凍材料に印加する磁場をオフすると共に、前記熱スイッチは前記高温部と接触している初期状態と、
前記電源装置から前記電磁石への給電をオンして、前記磁気冷凍材料に印加する磁場をオンすると共に、前記熱スイッチは熱スイッチ移動空間内を前記高温部側から前記低温部に移動する断熱励磁過程と、
前記磁気冷凍材料は温度が上がった状態で、前記熱スイッチと接触し、前記熱スイッチへ熱を渡す、高温接触過程と、
一定の時間経過後、前記電源装置から前記電磁石への給電をオフして、前記磁気冷凍材料に印加する磁場を消磁する断熱消磁過程と、
前記断熱消磁過程で、前記熱スイッチは前記磁気冷凍材料との接触が切り離されると共に、前記熱スイッチは前記高温部に移動し、
前記熱スイッチは前記熱スイッチ移動空間内を前記低温部側から前記高温部に移動して、前記高温部と熱接触する、吸熱過程と、
を１サイクルとして、前記低温部から前記高温部への熱輸送を行う請求項７に記載の磁気冷凍装置。
前記電源装置から前記電磁石への給電をオフして、前記磁気冷凍材料に印加する磁場をオフすると共に、前記熱スイッチは前記高温部と接触している初期状態と、
前記電源装置から前記電磁石への給電をオンして、前記磁気冷凍材料に印加する磁場をオンすると共に、前記熱スイッチは熱スイッチ移動空間内を前記高温部側から前記低温部に移動する断熱励磁過程と、
前記磁気冷凍材料は温度が上がった状態で、前記熱スイッチと接触し、前記熱スイッチへ熱を渡す、高温接触過程と、
一定の時間経過後、前記電源装置から前記電磁石への給電をオフして、前記磁気冷凍材料に印加する磁場を消磁する断熱消磁過程と、
前記断熱消磁過程で、前記熱スイッチは前記磁気冷凍材料との接触が切り離されると共に、前記熱スイッチは前記高温部に移動し、
前記熱スイッチは前記熱スイッチ移動空間内を前記低温部側から前記高温部に移動して、前記高温部と熱接触する、吸熱過程と、
を１サイクルとして、前記低温部から前記高温部への熱輸送を行う請求項７に記載の磁気冷凍装置。
【請求項11】
前記熱伝導率の高い材料は、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項７乃至１０の何れか１項に記載の磁気冷凍装置。
【請求項12】
前記電源装置は、
蓄電池または大容量コンデンサの少なくとも一方を有する蓄電部と、
前記蓄電部に対する充電用電力を供給する給電部と、
前記電磁石に供給する電流波形を設定する電流波形設定部と、
前記電流波形設定部からの波形制御信号に対応して前記蓄電部から前記電磁石を駆動する電流を供給する電流制御部と、
を有する請求項１乃至１１の何れか１項に記載の磁気冷凍装置。
蓄電池または大容量コンデンサの少なくとも一方を有する蓄電部と、
前記蓄電部に対する充電用電力を供給する給電部と、
前記電磁石に供給する電流波形を設定する電流波形設定部と、
前記電流波形設定部からの波形制御信号に対応して前記蓄電部から前記電磁石を駆動する電流を供給する電流制御部と、
を有する請求項１乃至１１の何れか１項に記載の磁気冷凍装置。
【請求項13】
前記大容量コンデンサは電気二重層型コンデンサ、油入式充放電用コンデンサ、又はケミカルコンデンサである請求項１２に記載の磁気冷凍装置。
【請求項14】
前記電流制御部によって前記電磁石に供給される電流は、３００アンペア以上３００００アンペア以下であって、印加電圧は１５ボルト以上４００ボルト以下である請求項１２又は１３に記載の磁気冷凍装置。
【請求項15】
前記電源装置は、さらに充電用商用電源に接続されている請求項１２乃至１４の何れか１項に記載の磁気冷凍装置。
【請求項16】
前記電流波形設定部は階段状の波形を指示する波形制御信号を生成する請求項１２乃至１５の何れか１項に記載の磁気冷凍装置。
【請求項17】
前記電磁石はビッター型電磁石又は巻き線型電磁石である請求項１２乃至１６の何れか１項に記載の磁気冷凍装置。
【請求項18】
前記強磁場は、１テスラ以上７０テスラ以下である請求項１２乃至１７の何れか１項に記載の磁気冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えば液体水素製造に用いて好適な磁気冷凍装置に関する。
【背景技術】
【0002】
磁気冷凍の基本的な原理としては、断熱励磁、高温接触、断熱消磁、低温接触の４過程を繰り返し行い、熱を低温部から高温部へ移動させるいわゆるカルノーサイクルがある（例えば、特許文献２参照）。
現在これを実現する上で様々な手法が開発されているが、大まかに分類すると、次の２類型が存在する。
（ｉ）永久磁石を利用し、磁気冷凍材料に対して磁石を近づけたり離したりする手法（例えば、特許文献１参照）
（ｉｉ）超伝導磁石を利用し、磁気冷凍材料を磁石に入れたり引き抜いたりする手法（例えば、特許文献２参照）
現在これを実現する上で様々な手法が開発されているが、大まかに分類すると、次の２類型が存在する。
（ｉ）永久磁石を利用し、磁気冷凍材料に対して磁石を近づけたり離したりする手法（例えば、特許文献１参照）
（ｉｉ）超伝導磁石を利用し、磁気冷凍材料を磁石に入れたり引き抜いたりする手法（例えば、特許文献２参照）
【0003】
特許文献１では磁力に上限（～１テスラ程度）があること、特許文献２は特許文献１よりも発生磁場としては大きくすることが可能であるが、それに伴って磁気冷凍材料にかかる磁気力が大きくなるため、それを引き抜く外部からの仕事が非常に大きくなり、１０テスラを超える数十テスラの強磁場を印加することができないなどのデメリットが存在する。
またもう一つの問題として、磁場の印加時の発熱過程や消磁時の吸熱過程に合わせて熱の移動を行うための熱スイッチとの同期が必要になることもあり、基本的に複雑なシステムになってしまうデメリットもある。
またもう一つの問題として、磁場の印加時の発熱過程や消磁時の吸熱過程に合わせて熱の移動を行うための熱スイッチとの同期が必要になることもあり、基本的に複雑なシステムになってしまうデメリットもある。
【0004】
「断熱励磁」「断熱消磁」過程では、磁場発生を瞬時にオンオフする方法もあり得るが、永久磁石は不可能であること、超伝導磁石でも超伝導線材の特性から「瞬時（断熱的）」には不可能であるという課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００７－１４７１３６号公報
【特許文献2】米国特許第４３３２１２５号公報
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】斎藤明子、『フロンレスを実現する磁気冷凍技術』、東芝レビューＶｏｌ．６２ ｐ．７６－７７（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
背景技術の欠点としては、以下の点が挙げられる。
（ｉ）磁場発生のオンオフが瞬時にできないため、結果、磁気冷凍材料を磁石から大きな磁気力に抗して相対的に離すまたは引き抜く必要があること、
（ｉｉ）熱を移動させるために、磁石内または磁石外にて、磁気冷凍材料を高温部または低温部に物理的に接触、または流体等を移動させる必要があり、特許文献１の磁場発生と同期させるなど複雑な仕組みが必要になること。
そして、（ｉ）より磁場の上限が、（ｉｉ）より時間効率の上限が決まり、原理的には磁気冷凍サイクルを実現できても、より高い磁場やより早いサイクルの実現が現状ではできないという根本的問題がある。
（ｉ）磁場発生のオンオフが瞬時にできないため、結果、磁気冷凍材料を磁石から大きな磁気力に抗して相対的に離すまたは引き抜く必要があること、
（ｉｉ）熱を移動させるために、磁石内または磁石外にて、磁気冷凍材料を高温部または低温部に物理的に接触、または流体等を移動させる必要があり、特許文献１の磁場発生と同期させるなど複雑な仕組みが必要になること。
そして、（ｉ）より磁場の上限が、（ｉｉ）より時間効率の上限が決まり、原理的には磁気冷凍サイクルを実現できても、より高い磁場やより早いサイクルの実現が現状ではできないという根本的問題がある。
【0008】
そこで、上記（ｉ）の問題の解決のために、高速で磁場発生のオンオフを行なうことが出来れば、理想的な「断熱励磁」「断熱消磁」過程を実現できると考え、
次に、上記（ｉｉ）の問題については、磁場印加時に磁気冷凍材料または熱スイッチが磁場中心に向かって引き寄せられる磁気力と磁場が無い状態での磁気冷凍材料または熱スイッチにかかる重力を利用して、複雑な仕組みがなくとも高温部や低温部との熱接触が磁場発生と同期する熱スイッチを実現できると考え、
さらに、（ｉ）と（ｉｉ）の解決手段を組み合わせ、磁場発生の時間波形を制御することで新たな磁気冷凍システムを実現できるのではないかと考え、本発明を想到するに至った。
次に、上記（ｉｉ）の問題については、磁場印加時に磁気冷凍材料または熱スイッチが磁場中心に向かって引き寄せられる磁気力と磁場が無い状態での磁気冷凍材料または熱スイッチにかかる重力を利用して、複雑な仕組みがなくとも高温部や低温部との熱接触が磁場発生と同期する熱スイッチを実現できると考え、
さらに、（ｉ）と（ｉｉ）の解決手段を組み合わせ、磁場発生の時間波形を制御することで新たな磁気冷凍システムを実現できるのではないかと考え、本発明を想到するに至った。
【課題を解決するための手段】
【0009】
［１］本発明の磁気冷凍装置は、例えば図１に示すように、熱伝導率の高い材料にて構成されると共に、高温部８２、磁気冷凍作業室８４、低温部８６の３室に仕切られた空間を有する容器８０と、磁気冷凍作業室８４の中心軸方向に移動可能に収容された磁気冷凍材料８８と、高温部８２と磁気冷凍作業室８４の間に設けられた上部仕切り板８３近傍を磁場中心とする強磁場発生用の電磁石１０であって、容器８０の周縁側に位置する電磁石１０と、供給電流を所定のパターンで時間変化させながら電磁石１０に供給できる電源装置３０と、を備える磁気冷凍装置であって、
磁気冷凍材料８８に対する磁場の断熱的な励磁消磁による磁気冷凍効果を生ずる磁気冷凍サイクルにより、低温部８６から高温部８２への熱移送を行うものである。
磁気冷凍材料８８に対する磁場の断熱的な励磁消磁による磁気冷凍効果を生ずる磁気冷凍サイクルにより、低温部８６から高温部８２への熱移送を行うものである。
【0010】
［２］本発明の磁気冷凍装置［１］において、例えば図２に示すように、好ましくは、前記磁気冷凍装置は低温部８６と磁気冷凍作業室８４の間に設けられた下部仕切り板８５を有し、磁気冷凍サイクルは、電源装置３０から電磁石１０への給電をオンして、容器８０に印加する磁場をオンする断熱励磁過程（Ｓ２００）と、前記断熱励磁過程で、磁気冷凍材料８８は下部仕切り板８５側から上部仕切り板８３付近に引き寄せられながら磁気冷凍材料８８の温度が上昇し（Ｓ２０５）、磁気冷凍材料８８は温度が上がった状態で、上部仕切り板８３と接触し、高温部８２へ熱を渡す、高温接触過程と（Ｓ２１０）、一定の時間経過後、電源装置３０から電磁石１０への給電をオフして、容器８０に印加する磁場を消磁する断熱消磁過程と（Ｓ２２０）、前記断熱消磁過程で、磁気冷凍材料８８は上部仕切り板８３との接触が切り離されると共に、温度が下がり（Ｓ２２５）、磁気冷凍材料８８は容器８０内部を下部仕切り板８５側に移動して、下部仕切り板８５と熱接触することで、低温部８６の熱を吸収する、低温接触過程（Ｓ２３０）、とを１サイクルとして、低温部８６から高温部８２への熱移送を行うものである。
［３］本発明の磁気冷凍装置［２］において、例えば図１に示すように、好ましくは、断熱消磁過程で、磁気冷凍材料８８と上部仕切り板８３との接触が切り離されるのは、重力又は前記磁気冷凍作業室８４に収容されている作動流体より駆動されるとよい。
［４］本発明の磁気冷凍装置［２］又は［３］において、断熱励磁過程又は断熱消磁過程における、前記磁場のオンオフには、前記電源装置から前記電磁石への給電のオンオフに対する磁場発生応答時間に相当する、遅延時間が含まれるとよい。
［５］本発明の磁気冷凍装置［１］乃至［４］において、さらに、高温部８２と熱接触される高温側熱輸送媒体と、低温部８６と熱接触される低温側熱輸送媒体とを有するとよい。
［６］本発明の磁気冷凍装置［１］乃至［５］において、前記熱伝導率の高い材料は、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるとよい。
［３］本発明の磁気冷凍装置［２］において、例えば図１に示すように、好ましくは、断熱消磁過程で、磁気冷凍材料８８と上部仕切り板８３との接触が切り離されるのは、重力又は前記磁気冷凍作業室８４に収容されている作動流体より駆動されるとよい。
［４］本発明の磁気冷凍装置［２］又は［３］において、断熱励磁過程又は断熱消磁過程における、前記磁場のオンオフには、前記電源装置から前記電磁石への給電のオンオフに対する磁場発生応答時間に相当する、遅延時間が含まれるとよい。
［５］本発明の磁気冷凍装置［１］乃至［４］において、さらに、高温部８２と熱接触される高温側熱輸送媒体と、低温部８６と熱接触される低温側熱輸送媒体とを有するとよい。
［６］本発明の磁気冷凍装置［１］乃至［５］において、前記熱伝導率の高い材料は、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるとよい。
【0011】
［７］本発明の磁気冷凍装置は、例えば図１３、１５に示すように、熱伝導率の高い材料にて構成されると共に、高温部（９１、１０２）、熱スイッチ移動空間（９４、１０４）、磁気冷凍材料室（９８、１０８）、低温部（９６、１０６）の４室に仕切られた空間を有する容器（９０、１００）と、
前記低温部側に一端が固定され、他端が前記熱スイッチ移動空間側に位置する磁気冷凍材料（９８、１０８）と、
前記磁気冷凍材料の中央近傍を磁場中心とする強磁場発生用の電磁石であって、前記容器の周縁側に位置する前記電磁石と、
前記熱スイッチ移動空間内に位置すると共に、磁性体を含んで構成される熱スイッチ（９３、１０３）と、
供給電流を所定のパターンで時間変化させながら前記電磁石に供給できる電源装置と、を備える磁気冷凍装置であって、
前記磁気冷凍材料に対する磁場の断熱的な励磁消磁による磁気冷凍効果を生ずる磁気冷凍サイクルにより、前記熱スイッチを前記磁気冷凍材料と接触する状態と、前記高温部と接触する状態と切り替えて、前記低温部から前記高温部への熱移送を行うものである。
［８］本発明の磁気冷凍装置［７］において、例えば図１３に示すように、好ましくは、さらに、重力方向に対して高温部９１は上側に設置され、低温部９６は高温部９１に対して下側に設置されると共に、熱スイッチ９３を高温部９１に接触する状態を維持する復元力を与えるバネ９２を備え、バネ９２の復元力は前記電磁石の励磁による熱スイッチ９３に対する磁気的吸引力よりも弱く構成されるとよい。
［９］本発明の磁気冷凍装置［７］において、例えば図１５に示すように、好ましくは、さらに、重力方向に対して高温部１０２は下側に設置され、低温部１０６は高温部１０２に対して上側に設置されると共に、熱スイッチ１０８の重量は前記電磁石の励磁による熱スイッチ１０３に対する磁気的吸引力よりも軽く構成されるとよい。
［１０］本発明の磁気冷凍装置［７］において、例えば図１４、１６に示すように、好ましくは、前記磁気冷凍サイクルは、前記電源装置から前記電磁石への給電をオフして、前記磁気冷凍材料に印加する磁場をオフする（Ｓ１４００、Ｓ１６００）と共に、前記熱スイッチは前記高温部と接触している（Ｓ１４０５、Ｓ１６０５）初期状態と、
前記電源装置から前記電磁石への給電をオンして、前記磁気冷凍材料に印加する磁場をオンすると共に、前記熱スイッチは熱スイッチ移動空間内を前記高温部側から前記低温部に移動する断熱励磁過程（Ｓ１４１０、Ｓ１６１０）と、
前記磁気冷凍材料は温度が上がった状態で、前記熱スイッチと接触し、前記熱スイッチへ熱を渡す、高温接触過程（Ｓ１４１５、Ｓ１６１５）と、
一定の時間経過後、前記電源装置から前記電磁石への給電をオフして、前記磁気冷凍材料に印加する磁場を消磁する断熱消磁過程（Ｓ１４２０、Ｓ１６２０）と、
前記断熱消磁過程で、前記熱スイッチは前記磁気冷凍材料との接触が切り離されると共に、前記熱スイッチは前記高温部に移動し（Ｓ１４２５、Ｓ１６２５）、
前記熱スイッチは前記熱スイッチ移動空間内を前記低温部側から前記高温部に移動して、前記高温部と熱接触する、吸熱過程（Ｓ１４３０、Ｓ１６３０）と、
を１サイクルとして、前記低温部から前記高温部への熱輸送を行うとよい。
［１１］本発明の磁気冷凍装置［７］乃至［１０］において、前記熱伝導率の高い材料は、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるとよい。
前記低温部側に一端が固定され、他端が前記熱スイッチ移動空間側に位置する磁気冷凍材料（９８、１０８）と、
前記磁気冷凍材料の中央近傍を磁場中心とする強磁場発生用の電磁石であって、前記容器の周縁側に位置する前記電磁石と、
前記熱スイッチ移動空間内に位置すると共に、磁性体を含んで構成される熱スイッチ（９３、１０３）と、
供給電流を所定のパターンで時間変化させながら前記電磁石に供給できる電源装置と、を備える磁気冷凍装置であって、
前記磁気冷凍材料に対する磁場の断熱的な励磁消磁による磁気冷凍効果を生ずる磁気冷凍サイクルにより、前記熱スイッチを前記磁気冷凍材料と接触する状態と、前記高温部と接触する状態と切り替えて、前記低温部から前記高温部への熱移送を行うものである。
［８］本発明の磁気冷凍装置［７］において、例えば図１３に示すように、好ましくは、さらに、重力方向に対して高温部９１は上側に設置され、低温部９６は高温部９１に対して下側に設置されると共に、熱スイッチ９３を高温部９１に接触する状態を維持する復元力を与えるバネ９２を備え、バネ９２の復元力は前記電磁石の励磁による熱スイッチ９３に対する磁気的吸引力よりも弱く構成されるとよい。
［９］本発明の磁気冷凍装置［７］において、例えば図１５に示すように、好ましくは、さらに、重力方向に対して高温部１０２は下側に設置され、低温部１０６は高温部１０２に対して上側に設置されると共に、熱スイッチ１０８の重量は前記電磁石の励磁による熱スイッチ１０３に対する磁気的吸引力よりも軽く構成されるとよい。
［１０］本発明の磁気冷凍装置［７］において、例えば図１４、１６に示すように、好ましくは、前記磁気冷凍サイクルは、前記電源装置から前記電磁石への給電をオフして、前記磁気冷凍材料に印加する磁場をオフする（Ｓ１４００、Ｓ１６００）と共に、前記熱スイッチは前記高温部と接触している（Ｓ１４０５、Ｓ１６０５）初期状態と、
前記電源装置から前記電磁石への給電をオンして、前記磁気冷凍材料に印加する磁場をオンすると共に、前記熱スイッチは熱スイッチ移動空間内を前記高温部側から前記低温部に移動する断熱励磁過程（Ｓ１４１０、Ｓ１６１０）と、
前記磁気冷凍材料は温度が上がった状態で、前記熱スイッチと接触し、前記熱スイッチへ熱を渡す、高温接触過程（Ｓ１４１５、Ｓ１６１５）と、
一定の時間経過後、前記電源装置から前記電磁石への給電をオフして、前記磁気冷凍材料に印加する磁場を消磁する断熱消磁過程（Ｓ１４２０、Ｓ１６２０）と、
前記断熱消磁過程で、前記熱スイッチは前記磁気冷凍材料との接触が切り離されると共に、前記熱スイッチは前記高温部に移動し（Ｓ１４２５、Ｓ１６２５）、
前記熱スイッチは前記熱スイッチ移動空間内を前記低温部側から前記高温部に移動して、前記高温部と熱接触する、吸熱過程（Ｓ１４３０、Ｓ１６３０）と、
を１サイクルとして、前記低温部から前記高温部への熱輸送を行うとよい。
［１１］本発明の磁気冷凍装置［７］乃至［１０］において、前記熱伝導率の高い材料は、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるとよい。
【0012】
［１２］本発明の磁気冷凍装置［１］乃至［１１］において、好ましくは、電源装置３０は、蓄電池または大容量コンデンサの少なくとも一方を有する蓄電部３２と、電磁石１０に供給する電流波形を設定する電流波形設定部７０と、電流波形設定部７０からの波形制御信号に対応して蓄電部３２から電磁石１０を駆動する電流を供給する電流制御部６０と、を備えるものであるとよい。
［１３］本発明の磁気冷凍装置［１２］において、好ましくは、大容量コンデンサは電気二重層型コンデンサ、油入式充放電用コンデンサ、又はケミカルコンデンサであるとよい。
［１４］本発明の磁気冷凍装置［１２］又は［１３］において、好ましくは、電流制御部６０によって電磁石１０に供給される電流は、３００アンペア以上３００００アンペア以下であって、印加電圧は１５ボルト以上４００ボルト以下であるとよい。
［１５］本発明の磁気冷凍装置［１２］乃至［１４］において、好ましくは、電源装置３０は、さらに充電用商用電源３１に接続されているとよい。
［１６］本発明の磁気冷凍装置［１２］乃至［１５］において、好ましくは、電流波形設定部７０は階段状の波形を指示する波形制御信号を生成するとよい。
［１７］本発明の磁気冷凍装置［１２］乃至［１６］において、好ましくは、電磁石１０はビッター型電磁石又は巻き線型電磁石であるとよい。
［１８］本発明の磁気冷凍装置［１２］乃至［１７］において、好ましくは、前記強磁場は、１テスラ以上７０テスラ以下であるとよい。好ましくは、前記強磁場は、２０テスラを超え７０テスラ以下であって、超伝導磁石単体で発生できる磁場よりも高い値であるとよい。
［１３］本発明の磁気冷凍装置［１２］において、好ましくは、大容量コンデンサは電気二重層型コンデンサ、油入式充放電用コンデンサ、又はケミカルコンデンサであるとよい。
［１４］本発明の磁気冷凍装置［１２］又は［１３］において、好ましくは、電流制御部６０によって電磁石１０に供給される電流は、３００アンペア以上３００００アンペア以下であって、印加電圧は１５ボルト以上４００ボルト以下であるとよい。
［１５］本発明の磁気冷凍装置［１２］乃至［１４］において、好ましくは、電源装置３０は、さらに充電用商用電源３１に接続されているとよい。
［１６］本発明の磁気冷凍装置［１２］乃至［１５］において、好ましくは、電流波形設定部７０は階段状の波形を指示する波形制御信号を生成するとよい。
［１７］本発明の磁気冷凍装置［１２］乃至［１６］において、好ましくは、電磁石１０はビッター型電磁石又は巻き線型電磁石であるとよい。
［１８］本発明の磁気冷凍装置［１２］乃至［１７］において、好ましくは、前記強磁場は、１テスラ以上７０テスラ以下であるとよい。好ましくは、前記強磁場は、２０テスラを超え７０テスラ以下であって、超伝導磁石単体で発生できる磁場よりも高い値であるとよい。
【発明の効果】
【0013】
本発明の磁気冷凍装置によれば、磁場をオンオフするため、磁場発生時に磁気冷凍材料を磁石の外に引き抜いたり、ゼロ磁場時に磁石に戻したりする往復運動の必要がなくなり、システム構成が極めてシンプルになる。また１秒程度の高速にオンオフできるため、磁気冷凍サイクルの効率化が期待される。さらには、「波形可変磁場発生装置」の改良で、電源次第で５テスラを超える磁場によるシステム開発も可能となる。
本発明の磁気冷凍装置によれば、磁場発生時と磁場終了時に磁気力および重力を利用することで高温部と低温部に対する熱接触が起きるため、複雑な仕組みは一切必要が無く、磁場発生の時間波形の調整により最適な磁気冷凍サイクルが実現できる。
本発明の磁気冷凍装置によれば、磁場発生時と磁場終了時に磁気力および重力を利用することで高温部と低温部に対する熱接触が起きるため、複雑な仕組みは一切必要が無く、磁場発生の時間波形の調整により最適な磁気冷凍サイクルが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明に用いられる磁気冷凍装置を説明する概略構成図で、磁気冷凍サイクルを用いて動作を説明している。
【図3】本発明の磁気冷凍装置の運転による温度変化を示す図である。
【図4】本発明の一実施例を示す蓄電池を用いた電源装置と、当該電源装置を制御する制御用システムを説明する機能ブロック図である。
【図6】本発明の一実施例を示す、ビッター磁石の構成図である。
【図8】本発明の一実施例を示す様々な発生磁場波形を示す波形図である。
【図9】本発明の一実施例を示す最高電流値を変えた場合の階段状磁場の波形図である。
【図10】本発明の一実施例を示す５回繰り返しを行った階段状磁場発生を説明する波形図である。
【図11】本発明の第２の実施例を示す磁気冷凍装置の概略的構成図である。
【図13】本発明の第３の実施例を示す磁気冷凍装置を説明する概略構成図で、磁気冷凍サイクルを用いて動作を説明している。
【図15】本発明の第４の実施例を示す磁気冷凍装置を説明する概略構成図で、磁気冷凍サイクルを用いて動作を説明している。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明における一実施例を図面を参照して以下説明する。
図１は、本発明に用いられる磁気冷凍装置を説明する概略構成図で、磁気冷凍サイクルを用いて動作を説明しており、（Ａ）は初期過程（低温接触過程）、（Ｂ）は断熱励磁過程、（Ｃ）は高温接触過程、（Ｄ）は断熱消磁過程を示している。本発明に用いられる磁気冷凍サイクルは、断熱励磁、高温接触、断熱消磁、低温接触の４過程を１サイクルとするカルノーサイクルである。
図１は、本発明に用いられる磁気冷凍装置を説明する概略構成図で、磁気冷凍サイクルを用いて動作を説明しており、（Ａ）は初期過程（低温接触過程）、（Ｂ）は断熱励磁過程、（Ｃ）は高温接触過程、（Ｄ）は断熱消磁過程を示している。本発明に用いられる磁気冷凍サイクルは、断熱励磁、高温接触、断熱消磁、低温接触の４過程を１サイクルとするカルノーサイクルである。
【0016】
本発明に用いられる磁気冷凍装置は、電磁石１０、電源装置３０、容器８０、高温部８２、磁気冷凍作業室８４、低温部８６、磁気冷凍材料８８、上部仕切り板８３、下部仕切り板８５を備えている。
容器８０は、熱伝導率の高い材料にて構成された高温部８２、磁気冷凍作業室８４、低温部８６の３室に仕切られた空間を有する容器８０であって、電磁石１０と同軸上に収容された磁気冷凍動作部として設けられている円筒状の容器である。
上部仕切り板８３は、高温部８２と磁気冷凍作業室８４の間に設けられている。下部仕切り板８５は、低温部８６と磁気冷凍作業室８４の間に設けられている。高温部８２には、高温部８２と熱接触される高温側熱輸送媒体が流れており、例えば高温側熱交換器と熱交換をする。低温部８６には、低温部８６と熱接触される低温側熱輸送媒体が流れており、例えば低温側熱交換器と熱交換をする。磁気冷凍材料８８は、磁気冷凍作業室８４の中心軸方向に移動可能に収容されたもので、高温部８２又は／及び低温部８６と熱接触し得る。磁気冷凍材料８８には、例えばガドリニウムを含有する磁気冷凍材料が用いられる。
熱伝導率の高い材料は、磁気冷凍材料８８と高温部８２又は／及び低温部８６と熱接触する時間が短くても熱交換できるような値を有する材料が良く、例えば熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上がよく、更に好ましくは、例えば、銅の４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、最適な材料としては、例えば、ダイヤモンドやカーボンナノチューブの１０００～５５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上がよい。熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属材料としては、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、金属シリコン、亜鉛、ニッケル、鉄等があり、これらの合金、例えばアルミニウム合金、黄銅等も含まれる。熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミック材料としては、窒化アルミニウム、炭化ケイ素がある。
容器８０は、熱伝導率の高い材料にて構成された高温部８２、磁気冷凍作業室８４、低温部８６の３室に仕切られた空間を有する容器８０であって、電磁石１０と同軸上に収容された磁気冷凍動作部として設けられている円筒状の容器である。
上部仕切り板８３は、高温部８２と磁気冷凍作業室８４の間に設けられている。下部仕切り板８５は、低温部８６と磁気冷凍作業室８４の間に設けられている。高温部８２には、高温部８２と熱接触される高温側熱輸送媒体が流れており、例えば高温側熱交換器と熱交換をする。低温部８６には、低温部８６と熱接触される低温側熱輸送媒体が流れており、例えば低温側熱交換器と熱交換をする。磁気冷凍材料８８は、磁気冷凍作業室８４の中心軸方向に移動可能に収容されたもので、高温部８２又は／及び低温部８６と熱接触し得る。磁気冷凍材料８８には、例えばガドリニウムを含有する磁気冷凍材料が用いられる。
熱伝導率の高い材料は、磁気冷凍材料８８と高温部８２又は／及び低温部８６と熱接触する時間が短くても熱交換できるような値を有する材料が良く、例えば熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上がよく、更に好ましくは、例えば、銅の４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、最適な材料としては、例えば、ダイヤモンドやカーボンナノチューブの１０００～５５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上がよい。熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属材料としては、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、金属シリコン、亜鉛、ニッケル、鉄等があり、これらの合金、例えばアルミニウム合金、黄銅等も含まれる。熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミック材料としては、窒化アルミニウム、炭化ケイ素がある。
【0017】
電磁石１０は、容器８０の高温部８２と磁気冷凍作業室８４の間に設けられた上部仕切り板８３近傍を磁場中心とする強磁場発生用の電磁石１０である。電源装置３０は、供給電流を所定のパターンで時間変化させながら電磁石１０に供給できるものである。
電磁石１０と電源装置３０の詳細は、後で説明する。
電磁石１０と電源装置３０の詳細は、後で説明する。
【0018】
次に、このように構成された装置の動作を説明する。図２は図１に示す磁気冷凍装置のカルノーサイクルの動作を説明するフローチャートである。
図において、断熱励磁過程では、電源装置３０から電磁石１０への給電をオンして、容器８０に印加する磁場を瞬間的に開始すると（Ｓ２００）、磁気冷凍材料８８は上部仕切り板８３付近に引き寄せられながら温度が上昇する（Ｓ２０５）。
高温接触過程では、磁気冷凍材料８８は温度が上がった状態で、上部仕切り板８３と接触し、高温部へ熱を渡す（Ｓ２１０）。
断熱消磁過程では、一定の時間経過後、電源装置３０から電磁石１０への給電をオフして、容器８０に印加する磁場を消磁すると（Ｓ２２０）、磁気冷凍材料８８は重力により上部仕切り板８３との接触が切り離されると共に、温度が下がる（Ｓ２２５）。
高温接触過程では、磁気冷凍材料は容器８０内部を落下して、下部仕切り板８５と接触することで、下部仕切り板８５を通して、低温部との接触をして低温部の熱を吸収する（Ｓ２３０）。
図において、断熱励磁過程では、電源装置３０から電磁石１０への給電をオンして、容器８０に印加する磁場を瞬間的に開始すると（Ｓ２００）、磁気冷凍材料８８は上部仕切り板８３付近に引き寄せられながら温度が上昇する（Ｓ２０５）。
高温接触過程では、磁気冷凍材料８８は温度が上がった状態で、上部仕切り板８３と接触し、高温部へ熱を渡す（Ｓ２１０）。
断熱消磁過程では、一定の時間経過後、電源装置３０から電磁石１０への給電をオフして、容器８０に印加する磁場を消磁すると（Ｓ２２０）、磁気冷凍材料８８は重力により上部仕切り板８３との接触が切り離されると共に、温度が下がる（Ｓ２２５）。
高温接触過程では、磁気冷凍材料は容器８０内部を落下して、下部仕切り板８５と接触することで、下部仕切り板８５を通して、低温部との接触をして低温部の熱を吸収する（Ｓ２３０）。
【0019】
上記各工程の動作を適当な磁場発生時間の調整を含め繰り返し行うことで、低温部から高温部への熱の排出、前記磁気冷凍サイクル（断熱励磁、高温接触、断熱消磁、低温接触の４過程）を生成し、磁場の断熱的な励磁消磁による磁気冷凍効果により熱移送を行うとよい。好ましくは、高温部８２の熱容量を、冷却対象物の熱容量に応じて適宜に設計することで、例えば液体水素の製造量に応じた磁気冷凍装置が実現できる。
図３は、本発明の磁気冷凍装置の運転による温度変化の一例を示す図である。本発明の磁気冷凍装置を用いて、実際に磁場のオンオフを繰り返した場合の実験データである。室温を基準として、上部仕切り板と下部仕切り板付近で、概ね６０秒経過後に温度の開きとして約±０．２℃が生じており、磁気冷凍効果が発現している。
図３は、本発明の磁気冷凍装置の運転による温度変化の一例を示す図である。本発明の磁気冷凍装置を用いて、実際に磁場のオンオフを繰り返した場合の実験データである。室温を基準として、上部仕切り板と下部仕切り板付近で、概ね６０秒経過後に温度の開きとして約±０．２℃が生じており、磁気冷凍効果が発現している。
【0020】
図４は本発明の一実施例を示す、磁気冷凍装置に用いられる、蓄電池を用いた電源装置の機能ブロック図である。本発明の磁気冷凍装置においては、強磁場発生のための大電流に対応できる電磁石１０として、例えばビッター型電磁石や巻き線型電磁石を用いる。ここで、強磁場とは、１テスラ以上７０テスラ以下であるとよく、好ましくは、２０テスラを超え７０テスラ以下であって、超伝導磁石単体で発生できる磁場よりも高い値であるとよい。大電流は、例えば最大３００００アンペアであり、下限値は強磁場発生に必要な最小の電流であって、例えば３０００アンペアでもよく、更に好ましくは３００アンペアでもよい。印加電圧は最大４００ボルトであるとよく、下限値は強磁場発生に必要な最小の電圧であって、例えば４０ボルトであるとよく、更に好ましくは１５ボルトでもよい。
【0021】
電源装置３０としては、供給電流を所定のパターンで時間変化させながら電磁石１０に供給できるとよい。そのために、電源装置３０には蓄電池または小型大容量のコンデンサを使い、電流波形設定部としての信号発生器７０の外からの波形入力に対応して、蓄電部分から、例えば印加電流として最大３００００アンペアであって、印加電圧は最大４００ボルトである電流量を高速に制御・調節できるとよい。
蓄電池とは、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して貯蔵し、必要に応じて電気を取り出すことができる装置で、充電によって繰り返し使用することができる。バッテリー、二次電池ともいわれ、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ＮＡＳ（ナトリウム硫黄）電池、リチウムイオン電池など様々な種類がある。
蓄電池とは、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して貯蔵し、必要に応じて電気を取り出すことができる装置で、充電によって繰り返し使用することができる。バッテリー、二次電池ともいわれ、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ＮＡＳ（ナトリウム硫黄）電池、リチウムイオン電池など様々な種類がある。
【0022】
大容量コンデンサは電気二重層型コンデンサ、油入式充放電用コンデンサ、又はケミカルコンデンサであるとよい。電気二重層型コンデンサは、電気二重層を誘電体とした、対面電極のコンデンサ構造をしており、静電容量は、例えば数十Ｆ（ファラッド）である。ここで、電気二重層とは、固体と液体との間で自発的に生じ、充電によって、電子またはホールが互いに引き合って整列している状態を言う。油入式充放電用コンデンサは、誘電体に木材パルプを加工した紙に、絶縁油を含浸させたものを使っている。油入式充放電用コンデンサは、単純な構造ゆえ、静電容量は増やすためには形状が大きくなる難点があるが、耐電圧に優れている。ケミカルコンデンサは、アルミ電解コンデンサとも呼ばれ、誘電体としては、アルミニウム電極（通常はアルミ箔）表面に形成した酸化被膜（酸化アルミニウム）を用いる。ケミカルコンデンサは、誘電体層が非常に薄いため、大きな容量を得ることが出来る。
そして、電磁石１０と電源装置３０を組み合わせ、任意の磁場発生時間、任意の磁場波形の発生を可能とする磁場発生システムが実現できる。
そして、電磁石１０と電源装置３０を組み合わせ、任意の磁場発生時間、任意の磁場波形の発生を可能とする磁場発生システムが実現できる。
【0023】
図４は本発明の一実施例を示す蓄電池を用いた電源装置の機能ブロック図で、当該電源装置を制御する制御用システムも併せて記載してある。図において、本発明の電源装置３０は、充電用商用電源３１、蓄電池３２、大電流化対応制御ブロック４０、電流出力回路５０、帰還制御ブロック６０を備えている。充電用商用電源３１は、蓄電池３２を充電するための電源系統で、例えば商用低圧電源のような供給電力量が数ｋＷ程度の比較的小規模の電力供給契約でも足りるが、液体ヘリウムや大電力が必要となる通常の定常磁場発生装置に用いられる高電圧電源系統を用いてもよい。高電圧電源系統は、供給電圧が例えば６．６ｋＶであり、供給電力量が数ＭＷ程度にも対応できる。
電源装置３０は、蓄電池３２に加えて、平滑コンデンサ３３、制御回路電源３４、操作・監視回路３６を有している。蓄電池３２は直流電力を供給するもので、例えば１６Ｖ～４００Ｖの定格電圧を有し、定格電流は例えば１～３０ｋＡとする。平滑コンデンサ３３は、蓄電池３２の供給する電流・電圧を平滑化するもので、蓄電池３２の正負端子に大電流化対応制御ブロック４０と並列に接続されている。制御回路電源３４は、商用電源から操作・監視回路３６用の電力を与える。操作・監視回路３６は、蓄電池３２の端子間電圧と供給電流を監視しており、ＰＷＭ回路６６に入力電圧の情報を与える。操作・監視回路３６は、補助電源として作用することもでき、蓄電池３２に蓄電用電力を供給するようにしてもよい。
蓄電池３２を設けると、例えば商用低圧電源のような供給電力量が数ｋＷ程度の比較的小規模の電力供給契約の充電用商用電源３１で充電しても、蓄電池３２から一時的な大電流の供給が可能となり、工場や大規模商業施設のように供給電力契約を数ＭＷ程度としなくてもすみ、契約アンペア数を低減できることから、電力料金が少なくてすむ。
電源装置３０は、蓄電池３２に加えて、平滑コンデンサ３３、制御回路電源３４、操作・監視回路３６を有している。蓄電池３２は直流電力を供給するもので、例えば１６Ｖ～４００Ｖの定格電圧を有し、定格電流は例えば１～３０ｋＡとする。平滑コンデンサ３３は、蓄電池３２の供給する電流・電圧を平滑化するもので、蓄電池３２の正負端子に大電流化対応制御ブロック４０と並列に接続されている。制御回路電源３４は、商用電源から操作・監視回路３６用の電力を与える。操作・監視回路３６は、蓄電池３２の端子間電圧と供給電流を監視しており、ＰＷＭ回路６６に入力電圧の情報を与える。操作・監視回路３６は、補助電源として作用することもでき、蓄電池３２に蓄電用電力を供給するようにしてもよい。
蓄電池３２を設けると、例えば商用低圧電源のような供給電力量が数ｋＷ程度の比較的小規模の電力供給契約の充電用商用電源３１で充電しても、蓄電池３２から一時的な大電流の供給が可能となり、工場や大規模商業施設のように供給電力契約を数ＭＷ程度としなくてもすみ、契約アンペア数を低減できることから、電力料金が少なくてすむ。
【0024】
大電流化対応制御ブロック４０は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４２、駆動回路４４、平滑コンデンサ４６、ダイオード４７、インダクタＬｆ４８を有している。電界効果トランジスタ４２は、パルス幅変調回路６６からのＰＷＭ制御信号をゲート端子に入力して、ドレイン端子－ソース端子間のドレイン電流のオンオフ制御をしている。平滑コンデンサ４６とダイオード４７は、電界効果トランジスタ４２を挟んで、蓄電池３２の正負端子と接続されている。インダクタＬｆ４８は、電界効果トランジスタ４２と電流出力回路５０との間に挿入されている。
電流出力回路５０は、コンデンサＣｆ５２、コモンモードコイルＣＭを有しており、出力端子Ｐ、Ｎの間にビッター型磁石１０の励磁用出力電流を出力している。
電流出力回路５０は、コンデンサＣｆ５２、コモンモードコイルＣＭを有しており、出力端子Ｐ、Ｎの間にビッター型磁石１０の励磁用出力電流を出力している。
【0025】
帰還制御ブロック６０は、出力電流検出トランス５４、バッファアンプ５８、誤差アンプ６２、使用率制限回路６４、パルス幅変調回路（ＰＷＭ：ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）６６を有している。バッファアンプ５８は、出力電流検出トランス５４の検出信号を入力しているもので、例えば出力電流の監視用に用いられる。誤差アンプ６２は、出力電流検出トランス５４と使用率制限回路６４のパターン信号とを比較して、パルス幅変調回路６６に送っている。使用率制限回路６４は時間当たりの電流変化量（ｄＩ／ｄｔ）を制限すると共に、誤差アンプ６２の誤差信号が大きい場合にも、パルス幅変調回路６６のデューティー比の上限値を制限して、ビッター型磁石１０が過大な電流により損壊することを防止する。
信号発生器７０は、使用率制限回路６４に対して、ビッター型磁石１０に供給する駆動電流波形を指示するパターン信号を出力している。パソコン７２は、信号発生器７０に指示する駆動電流波形のパターンを指示しやすくするソフトウェアを搭載しているもので、汎用のコンピュータ装置が用いられる。
信号発生器７０は、使用率制限回路６４に対して、ビッター型磁石１０に供給する駆動電流波形を指示するパターン信号を出力している。パソコン７２は、信号発生器７０に指示する駆動電流波形のパターンを指示しやすくするソフトウェアを搭載しているもので、汎用のコンピュータ装置が用いられる。
【0026】
この様に構成された装置においては、パソコン７２から信号発生器７０を制御し、発生させたい磁場の波形と同じ電圧プロファイルを使用率制限回路６４に送る。図５は、図４に示す装置の出力電流の波形図である。電気二重層型コンデンサや電磁石の場合は、単位時間当たりの電流増分が許容される範囲に制限があるので、この範囲の制限内で、出力電流の波形図を指示する。
【0027】
使用率制限回路６４では、信号発生器７０から送られたパターン信号に応じて、蓄電池３２からの直流電流が制御され、電流出力回路５０の出力端子Ｐ、Ｎとつながっているビッターコイルの円形金属板１２に電流が流れ、磁場が発生する。
またパルス磁場発生では、高容量コンデンサシステムに充電した電気エネルギーを使って、１ミリ秒３０テスラ以上の磁場発生が可能となっている。よって、このビッターコイルをそのまま使うことで３０テスラ程度の強磁場発生まで十分耐えることができる。コイルの発熱は小型循環冷却器により純水を磁石内に循環させ速やかに冷却を行う。
またパルス磁場発生では、高容量コンデンサシステムに充電した電気エネルギーを使って、１ミリ秒３０テスラ以上の磁場発生が可能となっている。よって、このビッターコイルをそのまま使うことで３０テスラ程度の強磁場発生まで十分耐えることができる。コイルの発熱は小型循環冷却器により純水を磁石内に循環させ速やかに冷却を行う。
【0028】
図６は本発明の一実施例を示す、ビッター型電磁石の構成図である。図７は、図６に示すビッター磁石の構成要素である円形金属板の構成斜視図である。図において、ビッター型磁石１０は、円形金属板１２、絶縁板１４、フランジ１６、締め付け棒１８を有している。ビッター型磁石は、コイル状の線材ではなく、円形の導電性金属板と絶縁性のスペーサーをらせん状に重ねた構造になっている。電流は円形金属板の間をらせん状に流れる。銅銀合金を利用した積層円形金属板の目的は、円形金属板内の移動電荷に作用する磁場によるローレンツ力が、磁場強度の２乗に比例して増加することで生じる外側への巨大な機械的圧力に耐えることである。また、円形金属板に流れる大電流による抵抗加熱で円形金属板に発生する膨大な熱を逃がすために、円形金属板の穴から水が冷却剤として循環している。放熱量は、磁場の強さの２乗に比例して増加する。
【0029】
円形金属板１２は、銅又は強度の強い銅合金を打ち抜いて作成された大略円形の板で、スリット１２２、締め付け棒用切り欠き穴１２４、冷却水用穴１２６、中央穴１２８が形成されている。円形金属板１２は、高強度高伝導材料である銅銀合金を利用した、強磁場発生用ビッターコイルを用いている。このビッターコイルは、本出願人において定常強磁場発生とパルス磁場発生の両方に利用しており、定常強磁場発生には１５メガワット電力を供給することで、最大３０テスラ程度の磁場発生の実績がある。スリット１２２は隣接する層間で、楔形切り欠き部１４２の切り欠き角度に相当する角度だけ回転しており、例えば４５度の場合は８枚で一回転し、３０度の場合は１２枚で一回転する。
絶縁板１４は、例えばポリイミド樹脂製の板で、楔形切り欠き部１４２、締め付け棒用切り欠き穴１４４、冷却水用穴１４６、中央穴１４８が形成されている。楔形切り欠き部１４２は、円周面の一部が所定の角度、例えば３０度～４５度程度、軸方向から円周部に切り欠いてある。積層される円形金属板１２は、重ねコイルとして絶縁板１４の切り欠き部１４６で隣接する円形金属板１２との導通を図ると共に、切り欠き部１４６を除く絶縁板１４では隣接する円形金属板１２との絶縁を図ることで、コイルの１ターン分を形成している。
絶縁板１４は、例えばポリイミド樹脂製の板で、楔形切り欠き部１４２、締め付け棒用切り欠き穴１４４、冷却水用穴１４６、中央穴１４８が形成されている。楔形切り欠き部１４２は、円周面の一部が所定の角度、例えば３０度～４５度程度、軸方向から円周部に切り欠いてある。積層される円形金属板１２は、重ねコイルとして絶縁板１４の切り欠き部１４６で隣接する円形金属板１２との導通を図ると共に、切り欠き部１４６を除く絶縁板１４では隣接する円形金属板１２との絶縁を図ることで、コイルの１ターン分を形成している。
【0030】
フランジ１６はビッター型磁石１０の軸方向の両端に設けられるもので、例えばＦＲＰ製の円板よりなり、締め付け棒１８による締結力を支持するための剛性を有している。締め付け棒１８は、円形金属板１２と絶縁板１４の重ねコイル積層体を締め付けるもので、例えば軸方向に８本等間隔で設けられている。締め付け棒１８は、各層の対応する締め付け棒用切り欠き穴１２４、１４４に装着されるもので、円形金属板１２の周面に沿って装着されるため、締結リング１８２をフランジ１６側に近い部位に設けて締め付け保持されている。
【0031】
高磁場導入路２０は、円形金属板１２の中央穴１２８と絶縁板１４の中央穴１４８に連通するもので、ビッター型磁石１０で生成される高磁場空間に観察対象物を送致するための導入路である。電極２２は、両端のフランジ１６表面に電線の接続端子が設けられているもので、積層される円形金属板１２の両側端部と接続される。
冷却水供給管２４は、各層の対応する円形金属板１２の冷却水用穴１２６と絶縁板１４の冷却水用穴１４６に冷却水を供給する管路で、両端のフランジ１６表面に冷却水接続口が設けてある。冷却水には、例えば電気抵抗率の高い（１０６Ω・ｃｍ）脱イオン化された蒸留水を用いるとよい。冷却水供給管２４から供給される冷却水により、ビッター型磁石１０で高磁場発生に伴って生成される熱と熱交換している。
冷却水供給管２４は、各層の対応する円形金属板１２の冷却水用穴１２６と絶縁板１４の冷却水用穴１４６に冷却水を供給する管路で、両端のフランジ１６表面に冷却水接続口が設けてある。冷却水には、例えば電気抵抗率の高い（１０６Ω・ｃｍ）脱イオン化された蒸留水を用いるとよい。冷却水供給管２４から供給される冷却水により、ビッター型磁石１０で高磁場発生に伴って生成される熱と熱交換している。
【0032】
図８は、本発明の一実施例を示す様々な発生磁場波形を示す波形図である。図８（Ａ）は三角関数的な波形の入力により実際に発生した磁場で、図８（Ｂ）は階段状の磁場となっている。階段状の磁場は発生時間全体で約２秒程度、階段状の一定部分が０．２秒程度となっている。
【0033】
図９は電流を変化させて階段状の磁場を発生させた波形図である。最大電流に応じた磁場発生となっていることが分かる。
【0034】
図１０は階段状磁場発生を繰り返し行った測定結果であり、今回は５回の繰り返しを行った。原理的には蓄電池のエネルギーがなくなるまで、繰り返しを行うことができる。こうした繰り返しの磁場は、磁場のオンオフを行っていることと同じであり、磁気冷凍などへの応用が考えられる。
【0035】
なお、上記の実施の形態においては、強磁場発生用の電磁石としてビッター型電磁石の場合を示したが、巻き線型電磁石でもよい。また、上記の実施の形態においては、蓄電部として蓄電池の場合を示したが、大容量コンデンサでもよい。
また、上記の実施の形態においては、磁場発生時と磁場終了時に磁気力および重力を利用することで高温部と低温部に対する熱接触が起きる構造を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁気冷凍作業室に収容されている作動流体より磁気冷凍材料の往復駆動をする構成と組み合わせても良い。
また、上記の実施の形態においては、磁場発生時と磁場終了時に磁気力および重力を利用することで高温部と低温部に対する熱接触が起きる構造を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁気冷凍作業室に収容されている作動流体より磁気冷凍材料の往復駆動をする構成と組み合わせても良い。
【0036】
図１１は、本発明の第２の実施例を示す磁気冷凍装置の概略的構成図である。なお、図１１において、前出の図１と同一作用をする構成要素には同一符号を付して、説明を省略する。
本実施例では、磁気冷凍作業室８４内での磁気冷凍材料８８の往復運動のために、高温側ベローズ８２ｂと高温側駆動ロッド８２ｃ、並びに低温側ベローズ８６ｂと低温側駆動ロッド８６ｃが設けられている。高温側熱交換器８２ａと低温側熱交換器８６ａは、高温部８２と低温部８６の熱交換の為に設けられている。ギヤ付きモータ９４は、駆動ホイール９２を介して、高温側ベローズ８２ｂに他端が接続された駆動ロッド９０の上下の往復運動を駆動している。
本実施例では、磁気冷凍作業室８４内での磁気冷凍材料８８の往復運動のために、高温側ベローズ８２ｂと高温側駆動ロッド８２ｃ、並びに低温側ベローズ８６ｂと低温側駆動ロッド８６ｃが設けられている。高温側熱交換器８２ａと低温側熱交換器８６ａは、高温部８２と低温部８６の熱交換の為に設けられている。ギヤ付きモータ９４は、駆動ホイール９２を介して、高温側ベローズ８２ｂに他端が接続された駆動ロッド９０の上下の往復運動を駆動している。
【0037】
図１２は、図１１に示す磁気冷凍装置に用いられる容器内部の概略的構成図である。磁気冷凍材料８８は、層構造８８ａをしており、薄肉コンテナ８８ｂで外周壁が囲われている。高温側駆動ロッド８２ｃと低温側駆動ロッド８６ｃは、支持具８９ａを用いて磁気冷凍材料８８に取り付けられている。網目８９ｂは、各層構造８８ａの境界をなすと共に、流体が拡散するのを可能にして、磁気冷凍材料８８内部の温度分布が均一になるのを助けている。
【0038】
図１３は、本発明の第３の実施例を示す磁気冷凍装置を説明する概略構成図で、磁気冷凍サイクルを用いて動作を説明しており、（Ａ）は初期過程（吸熱過程）、（Ｂ）は断熱励磁過程、（Ｃ）は高温接触過程、（Ｄ）は断熱消磁・吸熱過程を示している。本発明に用いられる磁気冷凍サイクルは、断熱励磁、高温接触、断熱消磁、吸熱過程の４過程を１サイクルとするカルノーサイクルである。
【0039】
第３の実施例に用いられる磁気冷凍装置は、容器９０、高温部９１、バネ９２、熱スイッチ９３、熱スイッチ移動空間９４、低温部９６、磁気冷凍材料９８を備えており、電磁石と電源装置については図示を省略してある。
容器９０は、熱伝導率の高い材料にて構成された高温部９１、熱スイッチ移動空間９４、磁気冷凍材料室９９、低温部９６の４室に仕切られた空間を有する容器９０であって、円筒状の容器である。高温部９１には、高温部９１と熱接触される高温側熱輸送媒体が流れており、例えば高温側熱交換器と熱交換をする。低温部９６には、低温部９６と熱接触される低温側熱輸送媒体が流れており、例えば低温側熱交換器と熱交換をする。
容器９０は、熱伝導率の高い材料にて構成された高温部９１、熱スイッチ移動空間９４、磁気冷凍材料室９９、低温部９６の４室に仕切られた空間を有する容器９０であって、円筒状の容器である。高温部９１には、高温部９１と熱接触される高温側熱輸送媒体が流れており、例えば高温側熱交換器と熱交換をする。低温部９６には、低温部９６と熱接触される低温側熱輸送媒体が流れており、例えば低温側熱交換器と熱交換をする。
【0040】
磁気冷凍材料室９９は、磁気冷凍材料９８を収容する室又は空間である。磁気冷凍材料９８は、低温部９６側に一端が固定され、他端が熱スイッチ移動空間９４側に位置する。磁気冷凍材料９８には、例えばガドリニウムを含有する磁気冷凍材料が用いられる。
熱スイッチ９３は磁性体を含んで構成されるもので、バネ９２により高温部９１に接触する状態と、磁気吸引力により磁気冷凍材料９８に熱接触する状態を有する。熱スイッチ９３は、磁性体が脆い場合の補強のために、磁性体の周囲を金属板や無機セラミック繊維で被覆してあっても良い。バネ９２は、熱スイッチ９３を高温部９１に接触する状態を維持する復元力を与える。バネ９２の復元力は電磁石の励磁による熱スイッチ９３に対する磁気的吸引力よりも弱く構成される。
熱スイッチ９３は磁性体を含んで構成されるもので、バネ９２により高温部９１に接触する状態と、磁気吸引力により磁気冷凍材料９８に熱接触する状態を有する。熱スイッチ９３は、磁性体が脆い場合の補強のために、磁性体の周囲を金属板や無機セラミック繊維で被覆してあっても良い。バネ９２は、熱スイッチ９３を高温部９１に接触する状態を維持する復元力を与える。バネ９２の復元力は電磁石の励磁による熱スイッチ９３に対する磁気的吸引力よりも弱く構成される。
【0041】
図１４は、図１３に示す装置のカルノーサイクルの動作を説明するフローチャートである。
初期状態では、電源装置から電磁石への給電をオフして、磁気冷凍材料９８に印加する磁場をオフする（Ｓ１４００）と共に、熱スイッチ９３はバネ９２により高温部９１と接触している（Ｓ１４０５）。
断熱励磁過程では、電源装置から電磁石への給電をオンして、磁気冷凍材料９８に印加する磁場をオンすると共に、熱スイッチ９３は熱スイッチ移動空間９４内を高温部９１側から低温部９６に移動する（Ｓ１４１０）。
高温接触過程では、磁気冷凍材料９８は温度が上がった状態で、熱スイッチ９３と接触し、熱スイッチ９３へ熱を渡す（Ｓ１４１５）。
断熱消磁過程では、一定の時間経過後、電源装置から電磁石への給電をオフして、磁気冷凍材料９８に印加する磁場を消磁する（Ｓ１４２０）と共に、バネ９２の復元力により熱スイッチ９３は磁気冷凍材料９８との接触が切り離されると共に、高温部９１方向に移動する（Ｓ１４２５）。
吸熱過程では、熱スイッチ９３は熱スイッチ９３移動空間内を低温部９６側から高温部９１に移動して、高温部９１と熱接触する（Ｓ１４３０）。
図１３に示す装置のカルノーサイクルの動作では、上記の初期過程（吸熱過程）、断熱励磁過程、高温接触過程、断熱消磁・吸熱過程を１サイクルとして、低温部９６から高温部９１への熱輸送を行う。
初期状態では、電源装置から電磁石への給電をオフして、磁気冷凍材料９８に印加する磁場をオフする（Ｓ１４００）と共に、熱スイッチ９３はバネ９２により高温部９１と接触している（Ｓ１４０５）。
断熱励磁過程では、電源装置から電磁石への給電をオンして、磁気冷凍材料９８に印加する磁場をオンすると共に、熱スイッチ９３は熱スイッチ移動空間９４内を高温部９１側から低温部９６に移動する（Ｓ１４１０）。
高温接触過程では、磁気冷凍材料９８は温度が上がった状態で、熱スイッチ９３と接触し、熱スイッチ９３へ熱を渡す（Ｓ１４１５）。
断熱消磁過程では、一定の時間経過後、電源装置から電磁石への給電をオフして、磁気冷凍材料９８に印加する磁場を消磁する（Ｓ１４２０）と共に、バネ９２の復元力により熱スイッチ９３は磁気冷凍材料９８との接触が切り離されると共に、高温部９１方向に移動する（Ｓ１４２５）。
吸熱過程では、熱スイッチ９３は熱スイッチ９３移動空間内を低温部９６側から高温部９１に移動して、高温部９１と熱接触する（Ｓ１４３０）。
図１３に示す装置のカルノーサイクルの動作では、上記の初期過程（吸熱過程）、断熱励磁過程、高温接触過程、断熱消磁・吸熱過程を１サイクルとして、低温部９６から高温部９１への熱輸送を行う。
【0042】
図１５は、本発明の第４の実施例を示す磁気冷凍装置を説明する概略構成図で、磁気冷凍サイクルを用いて動作を説明しており、（Ａ）は初期過程（吸熱過程）、（Ｂ）は断熱励磁過程、（Ｃ）は高温接触過程、（Ｄ）は断熱消磁・吸熱過程を示している。本発明に用いられる磁気冷凍サイクルは、断熱励磁、高温接触、断熱消磁、吸熱過程の４過程を１サイクルとするカルノーサイクルである。
【0043】
第４の実施例に用いられる磁気冷凍装置は、容器１００、高温部１０２、熱スイッチ１０３、磁気冷凍作業室１０４、低温部１０６、磁気冷凍材料１０８を備えており、電磁石と電源装置については図示を省略してある。
容器１００は、熱伝導率の高い材料にて構成された高温部１０２、熱スイッチ移動空間１０４、磁気冷凍材料室１０９、低温部１０６の４室に仕切られた空間を有する容器１００であって、電磁石１０と同軸上に収容された磁気冷凍動作部として設けられている円筒状の容器である。
高温部１０２には、高温部１０２と熱接触される高温側熱輸送媒体が流れており、例えば高温側熱交換器と熱交換をする。低温部１０６には、低温部１０６と熱接触される低温側熱輸送媒体が流れており、例えば低温側熱交換器と熱交換をする。
容器１００は、熱伝導率の高い材料にて構成された高温部１０２、熱スイッチ移動空間１０４、磁気冷凍材料室１０９、低温部１０６の４室に仕切られた空間を有する容器１００であって、電磁石１０と同軸上に収容された磁気冷凍動作部として設けられている円筒状の容器である。
高温部１０２には、高温部１０２と熱接触される高温側熱輸送媒体が流れており、例えば高温側熱交換器と熱交換をする。低温部１０６には、低温部１０６と熱接触される低温側熱輸送媒体が流れており、例えば低温側熱交換器と熱交換をする。
【0044】
磁気冷凍材料室１０９は、磁気冷凍材料１０８を収容する室又は空間である。磁気冷凍材料１０８は、低温部１０６側に一端が固定され、他端が熱スイッチ移動空間１０４側に位置する。磁気冷凍材料１０８には、例えばガドリニウムを含有する磁気冷凍材料が用いられる。
熱スイッチ１０３は磁性体を含んで構成されるもので、重力により高温部１０１に接触する状態と、磁気吸引力により磁気冷凍材料１０８に熱接触する状態を有する。熱スイッチ１０３の重量は電磁石の励磁による熱スイッチ１０３に対する磁気的吸引力よりも軽く構成される。熱スイッチ１０３は、磁性体が脆い場合の補強のために、磁性体の周囲を金属板や無機セラミック繊維で被覆してあっても良い。
熱スイッチ１０３は磁性体を含んで構成されるもので、重力により高温部１０１に接触する状態と、磁気吸引力により磁気冷凍材料１０８に熱接触する状態を有する。熱スイッチ１０３の重量は電磁石の励磁による熱スイッチ１０３に対する磁気的吸引力よりも軽く構成される。熱スイッチ１０３は、磁性体が脆い場合の補強のために、磁性体の周囲を金属板や無機セラミック繊維で被覆してあっても良い。
【0045】
図１６は、図１５に示す装置のカルノーサイクルの動作を説明するフローチャートである。
初期状態では、電源装置から電磁石への給電をオフして、磁気冷凍材料１０８に印加する磁場をオフする（Ｓ１６００）と共に、熱スイッチ１０３は重力により高温部１０２と接触している（Ｓ１６０５）。
断熱励磁過程では、電源装置から電磁石への給電をオンして、磁気冷凍材料１０８に印加する磁場をオンすると共に、熱スイッチ１０３は熱スイッチ移動空間内を高温部１０２側から低温部１０６に移動する（Ｓ１６１０）。
高温接触過程では、磁気冷凍材料１０８は温度が上がった状態で、熱スイッチ１０３と接触し、熱スイッチ１０３へ熱を渡す（Ｓ１６１５）。
断熱消磁過程では、一定の時間経過後、電源装置から電磁石への給電をオフして、磁気冷凍材料１０８に印加する磁場を消磁する（Ｓ１６２０）と共に、重力により熱スイッチ１０３は磁気冷凍材料１０８との接触が切り離されると共に、高温部１０２方向に移動する（Ｓ１６２５）。
吸熱過程では、熱スイッチ１０３は熱スイッチ１０３移動空間内を低温部１０６側から高温部１０２に移動して、高温部１０２と熱接触する（Ｓ１６３０）。
図１５に示す装置のカルノーサイクルの動作では、上記の初期過程（吸熱過程）、断熱励磁過程、高温接触過程、断熱消磁・吸熱過程を１サイクルとして、低温部１０６から高温部１０２への熱輸送を行うとよい。
初期状態では、電源装置から電磁石への給電をオフして、磁気冷凍材料１０８に印加する磁場をオフする（Ｓ１６００）と共に、熱スイッチ１０３は重力により高温部１０２と接触している（Ｓ１６０５）。
断熱励磁過程では、電源装置から電磁石への給電をオンして、磁気冷凍材料１０８に印加する磁場をオンすると共に、熱スイッチ１０３は熱スイッチ移動空間内を高温部１０２側から低温部１０６に移動する（Ｓ１６１０）。
高温接触過程では、磁気冷凍材料１０８は温度が上がった状態で、熱スイッチ１０３と接触し、熱スイッチ１０３へ熱を渡す（Ｓ１６１５）。
断熱消磁過程では、一定の時間経過後、電源装置から電磁石への給電をオフして、磁気冷凍材料１０８に印加する磁場を消磁する（Ｓ１６２０）と共に、重力により熱スイッチ１０３は磁気冷凍材料１０８との接触が切り離されると共に、高温部１０２方向に移動する（Ｓ１６２５）。
吸熱過程では、熱スイッチ１０３は熱スイッチ１０３移動空間内を低温部１０６側から高温部１０２に移動して、高温部１０２と熱接触する（Ｓ１６３０）。
図１５に示す装置のカルノーサイクルの動作では、上記の初期過程（吸熱過程）、断熱励磁過程、高温接触過程、断熱消磁・吸熱過程を１サイクルとして、低温部１０６から高温部１０２への熱輸送を行うとよい。
【0046】
なお、上記の実施形態は本発明の実施例を示すものであり、特許請求の範囲を制限的に解釈してはならず、当業者に自明な範囲で、各種の置換が行われていても特許請求の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【0047】
本発明の磁気冷凍装置によれば、高い繰り返し周波数で磁場のオンオフ制御が可能となるため、従来装置と比較してより高い磁場やより早いサイクルの実現ができる磁気冷凍装置を提供できる。
【符号の説明】
【0048】
１０：ビッター型電磁石
１２：円形金属板
１２２：スリット
１２４：締め付け棒用切り欠き穴
１２６：冷却水用穴
１２８：中央穴
１４：絶縁板
１４２：楔形切り欠き部
１４４：締め付け棒用切り欠き穴
１４６：冷却水用穴
１４８：中央穴
１６：フランジ
１８：締め付け棒
１８２：締結リング
２０：高磁場導入路
２２：電極
２４：冷却水供給管
３０：電源装置
３１：充電用商用電源
３２：蓄電池
４０：大電流化対応制御ブロック
５０：電流出力回路
６０：帰還制御ブロック
７０：信号発生器（信号波形設定部）
７２：パソコン（ＰＣ）
８０、９０、１００：容器
８２、９１、１０２：高温部
８３：上部仕切り板
８４：磁気冷凍作業室
８５：下部仕切り板
８６、９６、１０６：低温部
８８、９８、１０８：磁気冷凍材料
９２：バネ
９３、１０３：熱スイッチ（磁性体内包）
９４、１０４：熱スイッチ移動空間
９９、１０９：磁気冷凍材料室
１２：円形金属板
１２２：スリット
１２４：締め付け棒用切り欠き穴
１２６：冷却水用穴
１２８：中央穴
１４：絶縁板
１４２：楔形切り欠き部
１４４：締め付け棒用切り欠き穴
１４６：冷却水用穴
１４８：中央穴
１６：フランジ
１８：締め付け棒
１８２：締結リング
２０：高磁場導入路
２２：電極
２４：冷却水供給管
３０：電源装置
３１：充電用商用電源
３２：蓄電池
４０：大電流化対応制御ブロック
５０：電流出力回路
６０：帰還制御ブロック
７０：信号発生器（信号波形設定部）
７２：パソコン（ＰＣ）
８０、９０、１００：容器
８２、９１、１０２：高温部
８３：上部仕切り板
８４：磁気冷凍作業室
８５：下部仕切り板
８６、９６、１０６：低温部
８８、９８、１０８：磁気冷凍材料
９２：バネ
９３、１０３：熱スイッチ（磁性体内包）
９４、１０４：熱スイッチ移動空間
９９、１０９：磁気冷凍材料室
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
