Post on 27-Jan-2021
1
冷凍システムで用いる 磁気冷凍作業物質の開発
金沢大学 理工研究域 環境デザイン学系
准教授 大橋 政司
2
目 次
• 序論
強磁性体と強磁性の発現機構
研究の目標
• 本論
技術開発の背景
新技術の特性
実験結果
• まとめ
3 http://www.space-park.jp/index.html
鉄くぎを磁石にする
分割すると 小さな磁石ができる
磁石(強磁性体)
4
1個の電子が作る磁石
実際の物質は多数の電子を持つ
通常の釘
磁石に着く釘
磁石の原理
5
強磁性の発現機構
J ri, j SiS ji, j
常磁性 •熱振動大 (高温) •|H| 大
強磁性 •熱振動小 (低温) •|H| 大
r r r
r r r
強い強磁性の条件
•大きなJ(ri,j) …原子間距離ri,jの最適化
•大きなSi …磁気モーメントの大きな 元素を使用
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba L* Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra A*
L* ランタノイド La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
A* アクチノイ
ド Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
6
本研究の目標
• 磁気交換相互作用を決める関数Hを実験的に求める
期待される成果
• 磁気秩序を決定するユニバーサルな法則が得られる
→物質の持つ各種物理量が、S, rのみで決定できる
• この法則をベースとして、用途に応じた自在な物質設計が可能
→自由度の高い物質探索(機能だけでなく、レアメタルフリー等コスト面においても自由度が効く)
7
ヒートポンプ 液体・気体転移時の気化熱により冷却する。 フロンガスを冷媒として用いる。
技術開発の背景
http://www10.ocn.ne.jp/~create/
8
液体
圧力DOWN
潜熱として吸収! Q2
吸熱 気体(フロンガスなど)
ヒートポンプの原理
ガス膨張・圧縮
磁場誘起・消磁
置換え
http://www.neomag.jp/mailmagazines/200803/letter200803.php
9
磁気冷凍システムにより、温室効果ガスを使用しない
冷蔵庫やエアコンの開発が可能
⇒環境に優しい冷凍システム
ヒートポンプでは冷媒ガスの膨張・圧縮用コンプレッ
サーが必要
⇒冷蔵庫やエアコンの低雑音化・低振動化
自動車エンジンの冷却、小型冷凍機が可能
技術開発の背景
10
磁気冷凍システムでは冷媒となる磁
性材料を熱サイクルさせる
a)強磁性転移温度Tcで等温励磁
(⊿S)
b)断熱消磁により冷却(⊿T)
c)ゼロ磁場で元に戻す
a~cの循環過程で、1サイクルあたり
Q1-Q2=Wの熱量を排熱する。
熱効率を良くするにはWを大きくすればよい
ゼロ 磁場
磁気冷凍システム
Tc
DT
磁場 印加
S(エントロピー)
DS
Q2
W
Q1=W+Q2 T(温度)
Tc
S(エントロピー)
技術開発の目標
11
主な先行技術の特性と問題点
•ガドリニウム単体金属 : レアアースのため高コスト
•Mn(As1-xSb x) 【特開2003-28532】: As, Sbの毒性のため冷媒交換や廃棄時の減価償却コストが増大。
•La(Fe1-xSix)13Hy 【特開2006-89839】: 水素(H)抜けによる劣化あり。減価償却コストが増大。
12
• 強磁性転移温度Tc~室温付近
→J(r)の制御: 磁性材料のサイズ効果
・DS, DTが大きい
→Si, Sjの制御: 遷移金属・希土類金属の使用
• 広く普及させるには材料コスト・製造コストが安い事が望ましい
• 維持管理コスト軽減のため、無毒・不揮発性・長寿命
家庭用冷凍機としての磁気冷凍システム実用化に向けて
J ri, j SiS ji, j
ゼロ 磁場
磁気冷凍システム
Tc
DT
磁場 印加
S(エントロピー)
DS
Q2
W
Q1=W+Q2 T(温度)
Tc
S(エントロピー)
13
新技術の元となる研究成果・技術 RXy (希土類強磁性体)へのホウ素(B)添加
Tcが高くなるほど⊿Sが小さい
→大きな⊿SとTcの上昇は
相反する
RX2化合物のTcとDSの関係(N.H.Duc et al., 2002) ホウ素添加により結晶サイズ増加と試料硬化を同時に達成 →結晶体積によりTc増加、試料硬化により⊿S増加が期待できる。
14
ErCo2
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
5 25 45 65 85
2θ
強度(cps)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
5 25 45 65 85
2θ
強度(cps)
0
200
400
600
800
1000
1200
5 25 45 65 85
2θ
強度(cps)
ErCo2B0.07
0
200
400
600
800
1000
1200
5 25 45 65 85
2θ
強度(cps)
ErCo2B0.1
実験結果: X線結晶構造解析
ホウ素添加による結晶構造変化なし →結晶サイズ変化のみ
ErCo2B0.02
15
実験結果: 格子定数と転移温度
0
10
20
30
40
50
60
70
7.11 7.12 7.13 7.14 7.15 7.16
格子定数a(Å)
転移温度
Tc X=0
X=0.02
X=0.04
X=0.07
X=0.10
X=0.20
ErCo2Bx
ホウ素添加により結晶サイズ増加→Tcが変化
B
Er
Co
B a
16
想定される用途 • 回転型AMR方式を採用した磁気冷凍システムにおいて、
COP~15(実験室系), COP~3(試作品)程度の高い成績係数が得られている。
→システムの軽量化と材料コスト・製造コストが低減できれば実用化・普及可能である。
• カーエアコンのCOP~3は、現時点での磁気冷凍システムの能力と遜色が無い
→自動車の回転駆動機構を利用した回転型AMR式磁気サイクルを構築できれば、カーエアコンへの置換えが容易になると思われる。
17
想定される業界 • 利用者・対象
カーエアコン、冷蔵庫など小型化が必要な冷凍システムへの適用
家電メーカ・自動車・パソコンメーカなど
• 市場規模
18
磁気冷凍システム普及の妨げになっている、
材料コスト・製造コストの低減が可能。
現在はアイディア・実験レベル。
ホウ素添加によるTcの変化量は物質によって
差がある。最適な物質の探索が今後の課題。
実用化に向けた課題
19
企業への期待
• 磁気冷凍システムは①磁気冷媒②励磁用の磁石③冷凍サイクルから成る。本研究はまず、①の開発を念頭に置いている。
• ②については、①の物質探索技術の活用により克服できると考えている。
• ③の技術を持つ、企業との共同研究を希望。
20
本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 : 磁気冷凍システム用希土類磁気冷媒
• 出願番号 :特願2010-210623
• 出願人 :金沢大学
• 発明者 :大橋 政司
21
お問い合わせ先
(有)金沢大学ティ・エル・オー(KUTLO/キュトロ) ライセンシング・アソシエイト 山田 光俊
TEL: 076-264-6114 FAX: 076-234-4018 e-mail: e-mail-to@kutlo.incu.kanazawa-u.ac.jp