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JP7378773B2 - Magnetic refrigeration materials, magnetic refrigeration systems using them, cold storage materials - Google Patents
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Magnetic refrigeration materials, magnetic refrigeration systems using them, cold storage materials Download PDF

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Description

本発明は、水素液化に貢献する磁気冷凍材料に関し、特に水素が液化する20ケルビン(K)付近において大きなエントロピー変化をもたらす磁気冷凍材料に関する。
また、本発明は上記の磁気冷凍材料を用いた磁気冷凍システムに関する。
The present invention relates to a magnetic refrigeration material that contributes to hydrogen liquefaction, and particularly to a magnetic refrigeration material that causes a large entropy change near 20 Kelvin (K), where hydrogen liquefies.
The present invention also relates to a magnetic refrigeration system using the above magnetic refrigeration material.

エネルギーキャリアの一つとして有望な水素の普及には、高密度で貯蔵・輸送が可能な「液体」の状態での活用が望ましい。その際、水素の液化温度は約20ケルビン(摂氏マイナス253度)とヘリウムに次いで低いため、その液化技術の発展・高効率化が不可欠である。従来の気体の圧縮・膨張を利用した液化方式では、液化効率の原理上の上限(約40%)という制限から水素液化のコストも高止まりしているのが現状である。一方、磁場を用いて磁性体を磁化(発熱)・消磁(吸熱)することで伴うエントロピー変化を利用した、磁気熱量効果による磁気冷凍技術は、液化効率が理論上90%まで可能であり、水素普及に向けた貢献が期待されている(例えば、特許文献1参照)。 To popularize hydrogen, which holds promise as an energy carrier, it is desirable to use it in a "liquid" state that can be stored and transported at high density. At this time, the liquefaction temperature of hydrogen is approximately 20 Kelvin (minus 253 degrees Celsius), which is the second lowest after helium, so it is essential to develop and improve the efficiency of hydrogen liquefaction technology. In conventional liquefaction methods that utilize gas compression and expansion, the cost of hydrogen liquefaction remains high due to the theoretical upper limit (approximately 40%) of liquefaction efficiency. On the other hand, magnetic refrigeration technology based on the magnetocaloric effect, which utilizes the entropy change caused by magnetizing (heating) and demagnetizing (absorbing heat) a magnetic material using a magnetic field, has a liquefaction efficiency of up to 90% in theory, and hydrogen It is expected that it will contribute to its widespread use (for example, see Patent Document 1).

水素液化効率に直結する磁気冷凍材料の開発には、水素が液化する20ケルビン付近において磁性材料の磁場オン・オフ時における大きなエントロピー変化をもたらすことが第一に重要である。そこで、これまでも室温磁気冷凍材料(La(FeSi)13)をはじめとした材料開発がおこなわれている(非特許文献1参照)。また、水素液化温度付近においても、例えば、特許文献2ではErPdが提案され、特許文献3ではHoEr1-xNi(0≦x<1、0.8<y≦1)が提案され、特許文献4ではホルミウム銅系蓄熱材(HoCu2-x)が提案されている。さらに、非特許文献2では蓄冷材としてラーベス相(ErCo)、非特許文献3ではエルビウム・シリサイド(ErSi)等の磁気冷凍材料が報告されている。 In the development of magnetic refrigeration materials that are directly linked to hydrogen liquefaction efficiency, it is first important to bring about a large entropy change when the magnetic field is turned on and off in the magnetic material near 20 Kelvin, where hydrogen liquefies. Therefore, materials such as room temperature magnetic refrigeration material (La(FeSi) 13 ) have been developed (see Non-Patent Document 1). Further, even near the hydrogen liquefaction temperature, for example, Patent Document 2 proposes Er 5 Pd 2 , and Patent Document 3 proposes Ho x Er 1-x Ni y (0≦x<1, 0.8<y≦1). has been proposed, and Patent Document 4 proposes a holmium copper-based heat storage material (HoCu 2-x M x ). Further, Non-Patent Document 2 reports magnetic refrigeration materials such as Laves phase (ErCo 2 ) as a regenerator material, and Non-Patent Document 3 reports erbium silicide (Er 5 Si 3 ).

特表2003-532861号公報(特に図5、図6、段落番号0031-0039)Special Publication No. 2003-532861 (especially Figures 5 and 6, paragraph numbers 0031-0039) 特開2017-39993号公報(特に請求項1)JP 2017-39993 A (especially claim 1) CN103572097A(特に請求項1、表3~表9)CN103572097A (especially claim 1, Tables 3 to 9) WO2018/199278号公報WO2018/199278 publication

S. Fujieda et al., Appl. Phys. Lett. 89, 062504 (2006)S. Fujida et al. , Appl. Phys. Lett. 89, 062504 (2006) 和田裕文、志賀正幸、『磁気熱量効果-高効率磁気冷凍をめざして-』、まてりあ第39巻第11号p.909-915(2000)Hirofumi Wada, Masayuki Shiga, "Magnetocaloric Effect - Aiming for Highly Efficient Magnetic Refrigeration", Materia Vol. 39, No. 11, p. 909-915 (2000) N. Mohapatra et al., AIP Conference Proceedings 1447, 1165 (2012)N. Mohapatra et al. , AIP Conference Proceedings 1447, 1165 (2012)

室温磁気冷凍材料(La(FeSi)13)においては、元素置換により、磁気転移温度を低温にすることでそれに伴うエントロピー変化も低温化する試みがされているが、元素置換に伴う磁化の履歴やそれに伴う残留磁化が課題となっている。
また、ラーベス相(ErCo)においては、一次転移にともなう大きな磁気体積効果(磁場による磁気転移で結晶格子の急激な変化)により材料の破損が課題となっている。また分解溶融材料であり、実用材料へのハードルもある。
エルビウム・シリサイド(ErSi)については、論文報告はあるものの工学的な検討など、実用材料を意識した系統的な研究がなされていないのが現状である。
In the room temperature magnetic refrigeration material (La(FeSi) 13 ), attempts have been made to lower the magnetic transition temperature and the entropy change associated with it by element substitution. Residual magnetization associated with this has become an issue.
Furthermore, in the Laves phase (ErCo 2 ), damage to the material is a problem due to the large magnetovolume effect (rapid change in the crystal lattice due to magnetic transition caused by a magnetic field) accompanying the first-order transition. Furthermore, it is a decomposition and melting material, which poses hurdles to making it a practical material.
Regarding erbium silicide (Er 5 Si 3 ), although there are some paper reports, the current situation is that no systematic research, such as engineering studies, has been conducted with an eye toward practical materials.

本発明は上述する既存磁気冷凍材料の課題を解決するもので、例えば液体窒素温度(77K)から水素の液化温度(20K)までの温度域において、効率よく冷却する高性能の磁気冷凍材料を提供することを目的とする。 The present invention solves the problems of existing magnetic refrigeration materials mentioned above, and provides a high-performance magnetic refrigeration material that efficiently cools in a temperature range from liquid nitrogen temperature (77K) to hydrogen liquefaction temperature (20K). The purpose is to

本発明者は、ホルミウム・シリサイド(HoSi)は、ホルミウム(Ho)のもつ磁気モーメントにより磁性が誘起されるところ、この誘起された磁性がもたらすエントロピー変化と、クラーク数の高いSiを組み合わせたものである点で、水素液化に最適な材料の候補ではないかと考え、HoSiを合成して磁気冷凍材料としての物性を評価した。この際、ホルミウム・シリサイド(HoSi)が溶融物質であり、アーク溶融法で得られること、さらに合成後も材料が安定であることも、将来的な実用材料を目指す上で考慮に入れている。
さらに、ホルミウム・シリサイド(HoSi)と類似組成の化合物であるErGe、ErGaについても、エルビウム(Er)のもつ全角運動量(J)に起因するエントロピー変化と、Siサイトを原子半径の異なる元素に置換し,磁気秩序温度の制御をおこなうことで、水素液化に最適な材料の候補となりえることが分かった。
The present inventor discovered that holmium silicide (Ho 5 Si 3 ) has magnetism induced by the magnetic moment of holmium (Ho), and the entropy change brought about by this induced magnetism is combined with Si, which has a high Clark number. Considering that Ho 5 Si 3 is an optimal material candidate for hydrogen liquefaction, we synthesized Ho 5 Si 3 and evaluated its physical properties as a magnetic refrigeration material. At this time, we took into account the fact that holmium silicide (Ho 5 Si 3 ) is a molten substance and can be obtained by arc melting, and that the material is stable even after synthesis, with the aim of making it a practical material in the future. ing.
Furthermore, regarding Er 5 Ge 3 and Er 5 Ga 3 , which are compounds with similar composition to holmium silicide (Ho 5 Si 3 ), the entropy change due to the total angular momentum (J) of erbium (Er) and the Si site It was found that by replacing the material with an element with a different atomic radius and controlling the magnetic order temperature, it could become an optimal material candidate for hydrogen liquefaction.

[1]本発明の磁気冷凍材料は、HoSi、ErGe、ErGaの群からなる化合物の少なくとも一種を含む磁気冷凍材料である。
[2]本発明の磁気冷凍材料において、HoSiは、22~32ケルビンで、印加磁場が0から5テスラまでの条件下で、0.08[J/cmK]よりも大きな磁気エントロピー変化を有する。ここで、磁気エントロピー変化は、絶対値での変化をいう。
[1] The magnetic refrigeration material of the present invention is a magnetic refrigeration material containing at least one compound from the group of Ho 5 Si 3 , Er 5 Ge 3 , and Er 5 Ga 3 .
[2] In the magnetic refrigeration material of the present invention, Ho 5 Si 3 has a magnetic field greater than 0.08 [J/cm 3 K] under conditions of 22 to 32 Kelvin and an applied magnetic field of 0 to 5 Tesla. Has an entropy change. Here, the magnetic entropy change refers to a change in absolute value.

[3]本発明の磁気冷凍システムは、磁気熱量効果を示す磁気冷凍材料として請求項1又は2に記載の磁気冷凍材料を使用する。
[4]本発明の蓄冷材料は、HoSi、ErGe、ErGaの群からなる化合物の少なくとも一種を含む蓄冷材料である。
[3] The magnetic refrigeration system of the present invention uses the magnetic refrigeration material according to claim 1 or 2 as a magnetic refrigeration material exhibiting a magnetocaloric effect.
[4] The cold storage material of the present invention is a cold storage material containing at least one compound from the group of Ho 5 Si 3 , Er 5 Ge 3 , and Er 5 Ga 3 .

[5]本発明の磁気冷凍システムは、クライオポンプを備えた真空容器内部に、磁性体容器と前記磁性体容器に磁場を印加及び除去する励磁消磁機構とクライオポンプステージとを備えた冷凍システムにおいて、
前記磁性体容器は、少なくとも1つの端面に磁性部材を有し、かつ、少なくとも1つの端面に断熱材を有しており、
前記励磁消磁機構は、熱スイッチと永久磁石とを有し、前記真空容器内を移動可能であると共に、前記永久磁石と共に超伝導磁石を有し、
前記クライオポンプステージと前記磁性体容器は前記断熱材が設けられた端面で接しており、
前記励磁消磁機構は、前記磁性部材及び前記クライオポンプステージに熱スイッチで接することができることを特徴とする。
[5] The magnetic refrigeration system of the present invention is a refrigeration system that includes a magnetic container, an excitation/demagnetization mechanism for applying and removing a magnetic field to and from the magnetic container, and a cryopump stage inside a vacuum container equipped with a cryopump. ,
The magnetic container has a magnetic member on at least one end surface, and has a heat insulating material on at least one end surface,
The excitation/demagnetization mechanism has a thermal switch and a permanent magnet, is movable within the vacuum container, and has a superconducting magnet together with the permanent magnet,
The cryopump stage and the magnetic container are in contact with each other at an end surface provided with the heat insulating material,
The excitation/demagnetization mechanism may be in contact with the magnetic member and the cryopump stage through a thermal switch.

[6]本発明の磁気冷凍システムにおいて、好ましくは、前記磁性部材として、HoSi、ErGe、ErGaの群からなる化合物の少なくとも一種を含んだ磁気冷凍材料を使用するとよい。 [6] In the magnetic refrigeration system of the present invention, preferably, as the magnetic member, a magnetic refrigeration material containing at least one of the compounds from the group of Ho 5 Si 3 , Er 5 Ge 3 and Er 5 Ga 3 is used. good.

本発明の磁気冷凍材料によれば、HoSi、ErGe、ErGaについて、液体水素の沸点付近である20~30ケルビンで、印加磁場が0から5テスラまでの条件下で、0.08[J/cmK]よりも大きな磁気エントロピー変化を有しているので、例えば液体水素の製造に好適な磁気冷凍材料である。
本発明の磁気冷凍材料を用いた磁気冷凍システムによれば、液体水素の沸点付近である20~30ケルビンで、大きな磁気エントロピー変化を有する磁気冷凍材料を使用しているので、液体水素の製造がエネルギー効率よく行える。
本発明の蓄冷材料によれば、HoSi、ErGe、ErGaについて、液体水素の沸点付近である20~30ケルビンで、印加磁場が0から5テスラまでの条件下で、0.08[J/cmK]よりも大きな磁気エントロピー変化を有しているので、例えば液体水素の沸点温度付近に好適な蓄冷材料である。
According to the magnetic refrigeration material of the present invention, for Ho 5 Si 3 , Er 5 Ge 3 , and Er 5 Ga 3 , the temperature is 20 to 30 Kelvin, which is around the boiling point of liquid hydrogen, and the applied magnetic field is 0 to 5 Tesla. Since it has a magnetic entropy change larger than 0.08 [J/cm 3 K], it is a magnetic refrigeration material suitable for producing liquid hydrogen, for example.
According to the magnetic refrigeration system using the magnetic refrigeration material of the present invention, since the magnetic refrigeration material that has a large magnetic entropy change at 20 to 30 Kelvin, which is around the boiling point of liquid hydrogen, is used, it is possible to produce liquid hydrogen. It can be done energy-efficiently.
According to the cold storage material of the present invention, Ho 5 Si 3 , Er 5 Ge 3 , and Er 5 Ga 3 can be stored at temperatures of 20 to 30 Kelvin, which is near the boiling point of liquid hydrogen, and under the conditions of an applied magnetic field of 0 to 5 Tesla. , 0.08 [J/cm 3 K], so it is a suitable cold storage material for use near the boiling point temperature of liquid hydrogen, for example.

本発明の一実施例を示すHoSiの結晶構造を示す図である。空間群P63/mcmを有する。1 is a diagram showing a crystal structure of Ho 5 Si 3 showing an example of the present invention. It has a space group P63/mcm. 本発明の一実施例を示す、アーク溶融したHoSiの室温における粉末X線構造回折を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing powder X-ray structural diffraction of arc-fused Ho 5 Si 3 at room temperature, illustrating an example of the present invention. HoSiのエントロピー変化の温度依存性(低温部分)を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the temperature dependence (low temperature part) of the entropy change of Ho 5 Si 3 . HoSiのエントロピー変化の温度依存性(室温まで)を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the temperature dependence of the entropy change of Ho 5 Si 3 (up to room temperature). 本発明の他の一実施例を示すErGeのエントロピー変化の温度依存性(室温まで)を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the temperature dependence (up to room temperature) of the entropy change of Er 5 Ge 3 showing another example of the present invention. 本発明の他の一実施例を示すErGaのエントロピー変化の温度依存性(室温まで)を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the temperature dependence (up to room temperature) of the entropy change of Er 5 Ga 3 showing another example of the present invention. ErGaの2、20、40ケルビンでの磁化を示す図で、縦軸は磁化M、横軸は磁場Hである。This is a diagram showing the magnetization of Er 5 Ga 3 at 2, 20, and 40 Kelvin, where the vertical axis is the magnetization M and the horizontal axis is the magnetic field H. 本発明の磁気冷凍材料を用いた液体ヘリウムを用いずに極低温を生成する冷凍システムの概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram of a refrigeration system that uses the magnetic refrigeration material of the present invention to generate extremely low temperatures without using liquid helium.

用語の定義
『磁気熱量効果』 磁性体に印加した磁場を変化させることにより、温度変化が誘発されること。磁性体に印加した磁場を切ると、磁気エントロピーが増加し、吸熱が起こる。このとき吸収する熱量は、磁気エントロピー変化と絶対温度の積で与えられるため、より大きな磁気エントロピー変化が得られれば、より大きな熱量が吸収される。この磁性体に印加した磁場を切るという過程は、気体冷凍における気体膨張の過程に対応している。
Definition of terms ``Magnetocaloric effect'' Temperature change is induced by changing the magnetic field applied to a magnetic material. When the magnetic field applied to a magnetic material is removed, magnetic entropy increases and heat absorption occurs. The amount of heat absorbed at this time is given by the product of magnetic entropy change and absolute temperature, so if a larger magnetic entropy change is obtained, a larger amount of heat will be absorbed. This process of cutting off the magnetic field applied to the magnetic material corresponds to the process of gas expansion in gas refrigeration.

『強磁性体』 隣り合う電子スピン同士が同一の方向を向いた磁気構造を示す磁性体のこと。零磁場下で磁化が存在し、磁石を引き寄せる性質を持つ。また、強磁性磁気構造が現れる温度をキュリー温度と呼ぶ。
『反強磁性体』 隣り合う電子スピン同士が逆向きの方向を向いた磁気構造を示す磁性体のこと。零磁場下では、磁化は存在せず、磁石を引き寄せる性質を持っていない。また、反強磁性磁気構造が現れる温度をネール温度と呼ぶ。
``Ferromagnetic material'' A magnetic material that exhibits a magnetic structure in which adjacent electron spins point in the same direction. Magnetization exists under zero magnetic field and has the property of attracting magnets. The temperature at which a ferromagnetic structure appears is called the Curie temperature.
"Antiferromagnetic material" A magnetic material that exhibits a magnetic structure in which adjacent electron spins are oriented in opposite directions. Under zero magnetic field, there is no magnetization and it does not have the property of attracting a magnet. The temperature at which an antiferromagnetic magnetic structure appears is called the Neel temperature.

『磁気エントロピー』 スピン状態の乱雑さを表す量性状態量のこと。低温において現れる強磁性構造や反強磁性構造では、隣同士の電子スピンがそれぞれ同じ方向または逆方向に揃っているため、磁気エントロピーは小さくなる。一方、高温において現れる電子スピンがランダムな方向を向いた常磁性構造では、大きな磁気エントロピーが観測される。 "Magnetic entropy" A quantitative state quantity that expresses the randomness of spin states. In ferromagnetic and antiferromagnetic structures that appear at low temperatures, adjacent electron spins are aligned in the same or opposite directions, so the magnetic entropy is small. On the other hand, large magnetic entropy is observed in paramagnetic structures in which the electron spins that appear at high temperatures are oriented in random directions.

『n次の相転移』 ギブス(Gibbs)の自由エネルギーGの温度Tに関する(n-1)階微分が連続で、n階微分が不連続な相転移をいう。
『一次相転移』 結晶のエントロピー、体積、分極などに不連続がおこるもので、(あ)気体と液体間の転移、(い)液体と固体間の転移、(う)結晶の多形転移、(え)金属と絶縁体間の転移(Mott転移)等がある。
『二次相転移』 結晶のエントロピー、体積、分極などが連続で、これらの温度微分が不連続変化を示すもので、(あ)分子性結晶の回転転移、(い)合金の秩序・無秩序転移、(う)強誘電体の相転移、(え)強磁性・反強磁性などの磁気的相転移、(お)液体ヘリウムのλ-転移、(か)超伝導体の相転移等がある。二次の相転移の共通の特徴は、転移温度Tcにおいて結晶構造の変化がないのに、λ型の異常比熱が観測され、さらに低温相で、高温では存在しなかったある巨視的な秩序性が観測可能な物理量として現れる点である。
"n-order phase transition" refers to a phase transition in which the (n-1) order differential of Gibbs free energy G with respect to temperature T is continuous and the n order differential is discontinuous.
"First-order phase transition" Discontinuities occur in the entropy, volume, polarization, etc. of a crystal, including (a) transition between gas and liquid, (b) transition between liquid and solid, (c) polymorphic transition of crystal, (e) There are transitions between metals and insulators (Mott transition), etc.
"Secondary phase transition" The entropy, volume, polarization, etc. of a crystal are continuous, and the temperature differential of these changes discontinuously, resulting in (a) rotational transition in molecular crystals, and (b) order/disorder transition in alloys. , (c) phase transition of ferroelectrics, (d) magnetic phase transitions such as ferromagnetism and antiferromagnetism, (v) λ-transition of liquid helium, and (c) phase transition of superconductors. A common feature of second-order phase transitions is that, although there is no change in the crystal structure at the transition temperature Tc, a λ-type anomalous specific heat is observed, and a certain macroscopic ordering occurs in the low-temperature phase that does not exist at high temperatures. This is the point where it appears as an observable physical quantity.

『クラーク数』 地球上の地表付近に存在する元素の割合を、火成岩の化学分析結果に基いて推定した結果を、存在率(質量パーセント濃度)で表したものである。一番多いのは酸素で、ケイ素、アルミニウム、鉄の順に続く。 ``Clark number'' The proportion of elements present near the earth's surface is estimated based on the results of chemical analysis of igneous rocks, and is expressed as abundance ratio (mass percent concentration). The most abundant element is oxygen, followed by silicon, aluminum, and iron.

本発明の磁気冷凍材料HoSi、ErGe、ErGaは、所定の成分配合になるように原料を溶解し素形材を得る。具体的には、希土類金属ホルミウム(Ho)又はエルビウム(Er)と、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)又はガリウム(Ga)を原料としてアルゴンガス雰囲気中にてアーク炉で溶解することにより得ることができる。得られた物質は、X線粉末回折装置により回折パターンを測定し、MnSi型の六方晶系の結晶構造を有していることを確認することが望ましい。 The magnetic refrigeration materials Ho 5 Si 3 , Er 5 Ge 3 , Er 5 Ga 3 of the present invention are obtained by melting the raw materials so as to have a predetermined composition. Specifically, it can be obtained by melting the rare earth metal holmium (Ho) or erbium (Er) and silicon (Si), germanium (Ge), or gallium (Ga) as raw materials in an arc furnace in an argon gas atmosphere. I can do it. It is desirable to measure the diffraction pattern of the obtained substance using an X-ray powder diffractometer and confirm that it has a Mn 5 Si 3 type hexagonal crystal structure.

磁気熱量効果の大きさは、等温磁気エントロピー変化量ΔSMや断熱温度変化量ΔTadで表す。ΔSMは、近似的には、等温磁化曲線から次式のマクスウェル関係式を用いて計算する。
(式中Mは磁化を表す)
The magnitude of the magnetocaloric effect is expressed by the isothermal magnetic entropy change amount ΔSM or the adiabatic temperature change amount ΔTad. ΔSM is approximately calculated from the isothermal magnetization curve using the following Maxwell relation.
(M in the formula represents magnetization)

ΔSMは、モル比熱の温度変化を、外部磁場を変えてそれぞれ測定し、次の熱力学公式に当てはめて算出することもできる。
(式中Hは外部磁場がない場合を表し、Hは外部磁場H=Hであることを表す)
ΔSM can also be calculated by measuring the temperature change in molar specific heat while varying the external magnetic field and applying it to the following thermodynamic formula.
(In the formula, H 0 represents the case where there is no external magnetic field, and H 1 represents that the external magnetic field H = H 1. )

断熱温度変化量ΔTadは測定したモル比熱の磁場依存C(T,H)を使って算出する。すなわち、磁場を印加した状態で比熱を測定してC(T,H)を求め、その実験値を温度で積分することでゼロ磁場及びそれぞれの磁場でのエントロピーを求める。求めた各磁場でのエントロピーをエントロピー-温度グラフとして曲線に描く。このとき、外部磁場H1のエントロピー曲線とエントロピー一定の値Sを表す水平線を引いた時の交点の温度をT(S)H1とする。同様にしてゼロ磁場の場合のエントロピー曲線とエントロピー値Sを表す水平線との交点から温度T(S)Hを定める。これらの値を次の熱力学公式に当てはめて断熱温度変化量ΔTadを算出することができる。 The adiabatic temperature change amount ΔTad is calculated using the magnetic field dependence C(T, H) of the measured molar specific heat. That is, C (T, H) is determined by measuring the specific heat with a magnetic field applied, and the entropy at zero magnetic field and at each magnetic field is determined by integrating the experimental value with respect to temperature. Draw the obtained entropy in each magnetic field on a curve as an entropy-temperature graph. At this time, the temperature at the intersection of the entropy curve of the external magnetic field H1 and a horizontal line representing a constant entropy value S is defined as T(S)H1. Similarly, the temperature T(S)H 0 is determined from the intersection of the entropy curve in the case of zero magnetic field and the horizontal line representing the entropy value S. By applying these values to the following thermodynamic formula, the adiabatic temperature change amount ΔTad can be calculated.

(式中Hは外部磁場がない場合を表し、Hは外部磁場H=Hであることを表す) (In the formula, H 0 represents the case where there is no external magnetic field, and H 1 represents that the external magnetic field H = H 1. )

本発明の別の側面である蓄冷材料は、HoSi、ErGe、ErGaが25K以下でもなお大きな比熱を持っていることを利用している。そのため、この材料を、例えば液体ヘリウムを使うシステムの蓄冷材として使うことができる。 Another aspect of the present invention, the cold storage material, utilizes the fact that Ho 5 Si 3 , Er 5 Ge 3 , and Er 5 Ga 3 still have large specific heats even at temperatures below 25K. The material can therefore be used as a cold storage material in systems that use liquid helium, for example.

クライオポンプと、本発明の磁気冷凍材料を用いた磁気冷凍装置を組み合わせた冷凍システムについて図8を用いて説明する。
本発明の冷凍システムは、クライオポンプを備えた真空容器11内部に磁性体容器と励磁消磁機構を設けたものである。
A refrigeration system that combines a cryopump and a magnetic refrigeration device using the magnetic refrigeration material of the present invention will be described using FIG. 8.
The refrigeration system of the present invention includes a magnetic container and an excitation/demagnetization mechanism provided inside a vacuum container 11 equipped with a cryopump.

磁性体容器は、少なくとも1つの端面に磁性部材31を、少なくとも1つの端面に断熱材33を有している。該磁性体容器は、断熱材33を介してクライオポンプステージ23に接している。また、磁性部材31には、磁気冷凍材料を使用する。 The magnetic container has a magnetic member 31 on at least one end surface and a heat insulating material 33 on at least one end surface. The magnetic container is in contact with the cryopump stage 23 via a heat insulating material 33. Moreover, a magnetic refrigeration material is used for the magnetic member 31.

励磁消磁機構は、磁性体容器に磁場を印加または除去するために設けられ、永久磁石41と機械的熱スイッチ42を備えており、真空容器内を移動することができるように作成する。例えば図8の例では、移動は可動棒44で行う。さらに、励磁消磁機構は、寒剤と超伝導磁石も用いることで、20K程度の極低温環境下で励磁消磁ができる。また、このような極低温で1テスラ程度の強い磁場を生成できる永久磁石として、例えばネオジム系希土類永久磁石が挙げられる。超伝導磁石を併用することで、永久磁石のみでは達成困難な強力な磁場、例えば5テスラから10テスラを生成できる。寒剤としては、液体水素(20ケルビン)や液体のヘリウムを用いることができる。 The excitation/demagnetization mechanism is provided to apply or remove a magnetic field to the magnetic container, includes a permanent magnet 41 and a mechanical heat switch 42, and is made so as to be movable within the vacuum container. For example, in the example of FIG. 8, movement is performed by a movable rod 44. Furthermore, the excitation/demagnetization mechanism can perform excitation/demagnetization in an extremely low temperature environment of about 20 K by using a cryogen and a superconducting magnet. Further, examples of permanent magnets that can generate a strong magnetic field of about 1 Tesla at such extremely low temperatures include neodymium-based rare earth permanent magnets. By using a superconducting magnet in combination, it is possible to generate a strong magnetic field, for example 5 to 10 Tesla, which is difficult to achieve with permanent magnets alone. As the cryogen, liquid hydrogen (20 Kelvin) or liquid helium can be used.

試料は、励磁冷却プロセスの後に断熱冷却プロセスを行って冷却する。図8(a)は、励磁冷却プロセスの際の概念図である。まず、磁性体容器の内部空間32に試料を入れ、真空容器11内部に納める。粗引用ポンプ13でクライオポンプが起動できる程度に真空容器11内部を粗引きする。クライオポンプが起動できるようになったら、可動棒44を動かすことにより、磁性部材31に永久磁石41による磁場が印加されるように励磁消磁装置の位置を調整する。このとき、励磁消磁装置の熱スイッチ42が磁性部材31及びクライオポンプステージ23に接するようにする。磁場が印加したことによって磁性部材31が発熱するので、熱スイッチ42によりクライオポンプを起動する。クライオポンプにヘリウム等の10~20K程度の温度では凝縮しない蒸気圧の高い気体を用いると、冷却が進みクライオポンプステージ23が10K程度まで冷却される。また、クライオポンプに水素等の22~50K程度の温度では凝縮しない蒸気圧の高い気体を用いると、冷却が進みクライオポンプステージ23が25K程度まで冷却される。 The sample is cooled by performing an adiabatic cooling process after the excitation cooling process. FIG. 8(a) is a conceptual diagram during the excitation cooling process. First, a sample is placed in the internal space 32 of the magnetic container and placed inside the vacuum container 11 . The inside of the vacuum container 11 is roughly pumped using the rough pump 13 to the extent that the cryopump can be started. When the cryopump can be started, the movable rod 44 is moved to adjust the position of the excitation/demagnetization device so that the magnetic field by the permanent magnet 41 is applied to the magnetic member 31. At this time, the thermal switch 42 of the excitation/demagnetization device is brought into contact with the magnetic member 31 and the cryopump stage 23. Since the magnetic member 31 generates heat due to the application of the magnetic field, the cryopump is activated by the heat switch 42. If a gas with high vapor pressure that does not condense at a temperature of about 10 to 20K, such as helium, is used for the cryopump, cooling progresses and the cryopump stage 23 is cooled to about 10K. Furthermore, if a gas with high vapor pressure that does not condense at a temperature of about 22 to 50K, such as hydrogen, is used for the cryopump, cooling progresses and the cryopump stage 23 is cooled to about 25K.

励磁冷却プロセスによる試料の冷却が止まったら、次に断熱冷却プロセスを行う。図8(b)のように、可動棒44を動かすことによって、励磁消磁機構の位置を移動させる。このとき、永久磁石41から磁性部材31に印加される磁場ができるだけ小さくなるように励磁消磁機構と磁性体容器の位置を離す。この操作により、磁気冷却効果が起き、断熱材33により磁性容器がクライオポンプステージから熱的に絶縁されているため、さらに試料が冷却される。 Once the excitation cooling process has stopped cooling the sample, an adiabatic cooling process is performed next. As shown in FIG. 8(b), by moving the movable rod 44, the position of the excitation/demagnetization mechanism is moved. At this time, the excitation/demagnetization mechanism and the magnetic container are spaced apart so that the magnetic field applied to the magnetic member 31 from the permanent magnet 41 is as small as possible. This operation causes a magnetic cooling effect, which further cools the sample since the magnetic container is thermally insulated from the cryopump stage by the insulation material 33.

本磁気冷凍システムは、超伝導電磁石を用いており、永久磁石のみでは達成困難な強力な磁場を生成できる。従って、磁性部材31にHoSi、ErGe、ErGaを用い、永久磁石41に超伝導電磁石を付設することで5~10テスラの強力な磁場を生成することができ、液体水素の製造がエネルギー効率よく行える。磁性部材31に用いるHoSi、ErGe、ErGaは、液体水素の沸点付近である20~30ケルビンで、大きな磁気エントロピー変化を有する磁気冷凍材料であるためである。また、液体のヘリウムを用いると、超伝導電磁石が容易に実現できる。液体水素を用いても、超伝導材料を適切に選択することで、超伝導電磁石が実現できる。 This magnetic refrigeration system uses superconducting electromagnets and can generate strong magnetic fields that are difficult to achieve with permanent magnets alone. Therefore, by using Ho 5 Si 3 , Er 5 Ge 3 , and Er 5 Ga 3 for the magnetic member 31 and attaching a superconducting electromagnet to the permanent magnet 41, a strong magnetic field of 5 to 10 Tesla can be generated. Liquid hydrogen can be produced with energy efficiency. This is because Ho 5 Si 3 , Er 5 Ge 3 , and Er 5 Ga 3 used in the magnetic member 31 are magnetic refrigeration materials that have a large magnetic entropy change at 20 to 30 Kelvin, which is near the boiling point of liquid hydrogen. Additionally, using liquid helium makes it easy to create superconducting electromagnets. Even with liquid hydrogen, superconducting electromagnets can be realized by appropriately selecting superconducting materials.

以下に実施例を用いて本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 The present invention will be explained below using Examples, but the present invention is not limited thereto.

本発明の磁気冷凍材料は、例えば以下の製造工程(あ)~(き)をへて製造され、以下の検査工程(く)~(け)にて検査される。
(あ)目的とする材料(HoSi)について、それぞれの元素(Ho、Si)について化学量論比(モル比)で合計約5gを秤量する。
(い)(あ)の原材料をアーク溶融炉内の銅ハースにセットする。
(う)アーク溶融炉内を真空引きし、チャンバー内の大気を排気する。
(え)チャンバー内の大気を排気後、アルゴンガスを導入、チャンバー内を閉じる。
(お)材料をアーク溶融する。
(か)均質に溶融させるために材料については約5回溶融を繰り返す。
(き)できた材料を取り出し、切断する。
The magnetic refrigeration material of the present invention is manufactured, for example, through the following manufacturing steps (a) to (k), and inspected through the following testing steps (k) to (k).
(A) Regarding the target material (Ho 5 Si 3 ), weigh out a total of approximately 5 g of each element (Ho, Si) in stoichiometric ratio (mole ratio).
(i) Place the raw materials in (a) into the copper hearth in the arc melting furnace.
(c) Evacuate the inside of the arc melting furnace and exhaust the atmosphere inside the chamber.
(E) After exhausting the atmosphere in the chamber, introduce argon gas and close the chamber.
(E) Arc melting the material.
(i) Repeat melting approximately 5 times for the material to ensure homogeneous melting.
(i) Take out the finished material and cut it.

(く)切断した材料の一部を乳鉢にて粉状にし、室温で粉末X線回折実験にて材料を評価する。
(け)切断した材料の一部を磁化測定装置にて磁化の温度依存性を測定する。測定範囲は、温度:2~300ケルビン、磁場:0.01~5テスラ。測定データを解析し、エントロピー変化を求める。
(h) Part of the cut material is powdered in a mortar, and the material is evaluated by a powder X-ray diffraction experiment at room temperature.
(k) Measure the temperature dependence of magnetization of a part of the cut material using a magnetization measuring device. The measurement range is temperature: 2 to 300 Kelvin, magnetic field: 0.01 to 5 Tesla. Analyze the measurement data and find the entropy change.

粉末X線回折装置としては、例えば理学電気製MiniFlex600X線粉末回折装置を用いる。磁化の測定にはカンタム・デザイン製MPMS-5 超伝導量子干渉計(superconducting quantum interference device:SQUID)を用いた。比熱は、例えば、カンタム・デザイン製PPMS-9物理特性測定装置(physical properties mesurement system)を用いて熱緩和法により測定できる。 As the powder X-ray diffraction device, for example, a MiniFlex600 X-ray powder diffraction device manufactured by Rigaku Corporation is used. A superconducting quantum interference device (SQUID) manufactured by Quantum Design, MPMS-5, was used to measure magnetization. Specific heat can be measured, for example, by a thermal relaxation method using a PPMS-9 physical properties measurement system manufactured by Quantum Design.

図1は本発明の一実施例を示すHoSiの結晶構造を示す図である。ホルミウム・シリサイド(HoSi)は六方晶構造を有するもので、結晶構造は空間群P63/mcmを有する。
図2はアーク溶融したHoSiの室温における粉末X線構造回折結果を示す図である。これにより、目的とするHoSiが作成されていること、さらに、このデータをもとに格子定数が、アーク溶融後に得られた試料においてa=0.8284(a)nm、c=0.6222(5)nmであることを評価した。アーク溶融した直後のもので、アニールをまだしていない試料であるため、文献値(https://materialsproject.org/materials/mp-13236/)のa=0.8401nm、b=0.8401nm、c=0.6326nm、とは厳密には一致していない。
FIG. 1 is a diagram showing the crystal structure of Ho 5 Si 3 showing an example of the present invention. Holmium silicide (Ho 5 Si 3 ) has a hexagonal crystal structure, and the crystal structure has a space group P63/mcm.
FIG. 2 is a diagram showing the powder X-ray structure diffraction results of arc-melted Ho 5 Si 3 at room temperature. As a result, the desired Ho 5 Si 3 was created, and based on this data, the lattice constants were determined to be a = 0.8284 (a) nm, c = 0 in the sample obtained after arc melting. It was evaluated to be .6222(5) nm. Since the sample has just been arc melted and has not been annealed yet, the literature values (https://materialsproject.org/materials/mp-13236/) are a = 0.8401 nm, b = 0.8401 nm, c=0.6326 nm, which does not strictly match.

図3はHoSiのエントロピー変化の温度依存性(低温部分)を示す図である。25ケルビン付近に大きなピークを持ち、0から5テスラまでのエントロピー変化を評価する場合に、ピーク値として0.095[J/cmK]を有している。HoSiは、22~32ケルビンで、印加磁場が0から5テスラまでの条件下で、0.08[J/cmK]よりも大きな磁気エントロピー変化を有する。
一次転移材料(ErCo)では、一次相転移という性質上、大きなエントロピー変化をもたらす温度幅が広くないが、HoSiにおいては、エントロピー変化はなだらかであり、水素液化に有利と考えられる。
FIG. 3 is a diagram showing the temperature dependence (low temperature part) of the entropy change of Ho 5 Si 3 . It has a large peak near 25 Kelvin, and has a peak value of 0.095 [J/cm 3 K] when evaluating entropy changes from 0 to 5 Tesla. Ho 5 Si 3 has a magnetic entropy change greater than 0.08 [J/cm 3 K] at 22 to 32 Kelvin and under the conditions of an applied magnetic field of 0 to 5 Tesla.
In the first-order transition material (ErCo 2 ), the temperature range that causes a large entropy change is not wide due to the nature of the first-order phase transition, but in Ho 5 Si 3 , the entropy change is gradual, which is considered to be advantageous for hydrogen liquefaction.

図4はHoSiのエントロピー変化の温度依存性(室温まで)を示す図である。エントロピー変化の温度依存性として、25ケルビン付近の大きなピークに加えて、70ケルビン付近にサブピークがある。HoSiは、12~54ケルビンで、印加磁場が0から5テスラまでの条件下で、0.04[J/cmK]よりも大きな磁気エントロピー変化を有する。また、HoSiは、8~94ケルビンで、印加磁場が0から5テスラまでの条件下で、0.02[J/cmK]よりも大きな磁気エントロピー変化を有する。
なお、HoSiの比熱測定を行うと、断熱温度変化量ΔTadの評価を行うことができる。
FIG. 4 is a diagram showing the temperature dependence of the entropy change of Ho 5 Si 3 (up to room temperature). Regarding the temperature dependence of entropy change, in addition to a large peak near 25 Kelvin, there is a sub-peak near 70 Kelvin. Ho 5 Si 3 has a magnetic entropy change larger than 0.04 [J/cm 3 K] under conditions of 12 to 54 Kelvin and an applied magnetic field of 0 to 5 Tesla. Further, Ho 5 Si 3 has a magnetic entropy change larger than 0.02 [J/cm 3 K] under conditions of 8 to 94 Kelvin and an applied magnetic field of 0 to 5 Tesla.
Note that by measuring the specific heat of Ho 5 Si 3 , the adiabatic temperature change amount ΔTad can be evaluated.

図5は本発明の他の一実施例を示すErGeのエントロピー変化の温度依存性(室温まで)を示す図である。0から5テスラまでのエントロピー変化を評価している。ErGeは、16~46ケルビンで、印加磁場が0から5テスラまでの条件下で、0.06[J/cmK]よりも大きな磁気エントロピー変化を有すると共に、34ケルビン付近にピーク値として0.082[J/cmK]を有している。また、ErGeをHoSiと比較すると、磁気エントロピーのピークの温度が10ケルビン程度、高い温度側に移動している。 FIG. 5 is a diagram showing the temperature dependence (up to room temperature) of the entropy change of Er 5 Ge 3 showing another example of the present invention. The entropy change from 0 to 5 Tesla is evaluated. Er 5 Ge 3 has a magnetic entropy change larger than 0.06 [J/cm 3 K] under the conditions of 16 to 46 Kelvin and an applied magnetic field of 0 to 5 Tesla, and has a peak near 34 Kelvin. It has a value of 0.082 [J/cm 3 K]. Furthermore, when comparing Er 5 Ge 3 with Ho 5 Si 3 , the peak temperature of magnetic entropy has shifted to a higher temperature side by about 10 Kelvin.

図6は本発明の他の一実施例を示すErGaのエントロピー変化の温度依存性(室温まで)を示す図である。0から5テスラまでの磁気エントロピー変化を評価している。ErGaは、6~15ケルビンで、印加磁場が0から5テスラまでの条件下で、0.08[J/cmK]よりも大きな磁気エントロピー変化を有すると共に、10ケルビン付近にピーク値として0.095[J/cmK]を有している。また、ErGaをHoSiと比較すると、磁気エントロピーのピークの温度が12ケルビン程度、低い温度側に移動していることから、元素を換えることで転移点の制御ができている。
図7はErGaの2、20、40ケルビンでの磁化を示す図で、縦軸は磁化M、横軸は磁場Hである。2ケルビンで残留磁化は残っているが、水素液化に本質的に重要である20ケルビンや、それ以上の温度である40ケルビンにおいては、磁気冷凍方式に不利となる残留磁化がほぼ見られていない。
FIG. 6 is a diagram showing the temperature dependence of entropy change (up to room temperature) of Er 5 Ga 3 showing another embodiment of the present invention. The magnetic entropy change from 0 to 5 Tesla is evaluated. Er 5 Ga 3 has a magnetic entropy change larger than 0.08 [J/cm 3 K] under conditions of 6 to 15 Kelvin and an applied magnetic field of 0 to 5 Tesla, and has a peak near 10 Kelvin. It has a value of 0.095 [J/cm 3 K]. Furthermore, when comparing Er 5 Ga 3 with Ho 5 Si 3 , the peak temperature of magnetic entropy has shifted to a lower temperature side by about 12 Kelvin, indicating that the transition point can be controlled by changing the elements. .
FIG. 7 is a diagram showing the magnetization of Er 5 Ga 3 at 2, 20, and 40 Kelvin, where the vertical axis is the magnetization M and the horizontal axis is the magnetic field H. Although residual magnetization remains at 2 Kelvin, almost no residual magnetization, which is disadvantageous to magnetic refrigeration, is observed at 20 Kelvin, which is essentially important for hydrogen liquefaction, and at temperatures higher than that, 40 Kelvin. .

本発明の磁気冷凍材料であるHoSi、ErGe、ErGaは、液体窒素温度(77K)から水素の液化温度(20K)までの温度域において好適で、大きな断熱温度変化を示す。また、本材料は、冷凍システムや蓄冷材料に使用することができる。
本発明の磁気冷凍材料を用いた磁気冷凍システムによれば、液体水素の製造がエネルギー効率よく行える。
The magnetic refrigeration materials of the present invention, Ho5Si3 , Er5Ge3 , and Er5Ga3 , are suitable in the temperature range from liquid nitrogen temperature ( 77K ) to hydrogen liquefaction temperature (20K), and have large adiabatic temperature changes. shows. Additionally, this material can be used in refrigeration systems and cold storage materials.
According to the magnetic refrigeration system using the magnetic refrigeration material of the present invention, liquid hydrogen can be produced with energy efficiency.

11 真空容器
12 コンプレッサーユニット
13 粗引用ポンプ
21 クライオパネル(凝縮パネル)
22 クライオパネル(吸着パネル)
23 クライオポンプステージ
31 磁性材料
32 磁性体容器内部
33 断熱材
41 磁石
42 熱スイッチ
44 可動棒
11 Vacuum vessel 12 Compressor unit 13 Rough quota pump 21 Cryopanel (condensation panel)
22 Cryopanel (adsorption panel)
23 Cryopump stage 31 Magnetic material 32 Inside of magnetic container 33 Insulating material 41 Magnet 42 Heat switch 44 Movable rod

Claims (5)

HoSi、ErGe、ErGaの群からなる化合物の何れか一つからなる磁気冷凍材料。 A magnetic refrigeration material made of any one of the compounds from the group of Ho 5 Si 3 , Er 5 Ge 3 and Er 5 Ga 3 . HoSiが、温度が22~32ケルビンで、印加磁場が0から5テスラまでの条件下で、0.08[J/cmK]よりも大きなエントロピー変化を有することを特徴とする請求項1に記載の磁気冷凍材料。 A claim characterized in that Ho 5 Si 3 has an entropy change larger than 0.08 [J/cm 3 K] under conditions of a temperature of 22 to 32 Kelvin and an applied magnetic field of 0 to 5 Tesla. The magnetic refrigeration material according to item 1. 磁気熱量効果を示す磁気冷凍材料として請求項1又は2に記載の磁気冷凍材料を使用することを特徴とする磁気冷凍システム。 A magnetic refrigeration system characterized in that the magnetic refrigeration material according to claim 1 or 2 is used as a magnetic refrigeration material exhibiting a magnetocaloric effect. HoSi、ErGe、ErGaの群からなる化合物の何れか一つからなる蓄冷材料。 A cold storage material made of any one of the compounds from the group of Ho 5 Si 3 , Er 5 Ge 3 , and Er 5 Ga 3 . クライオポンプを備えた真空容器内部に、磁性体容器と前記磁性体容器に磁場を印加及び除去する励磁消磁機構とクライオポンプステージとを備えた冷凍システムにおいて、
前記磁性体容器は、少なくとも1つの端面に磁性部材を有し、かつ、少なくとも1つの端面に断熱材を有しており、
前記励磁消磁機構は、熱スイッチと永久磁石とを有し、前記真空容器内を移動可能であると共に、前記永久磁石と共に超伝導磁石を有し、
前記クライオポンプステージと前記磁性体容器は前記断熱材が設けられた端面で接しており、
前記励磁消磁機構は、前記磁性部材及び前記クライオポンプステージに熱スイッチで接することができると共に、
前記磁性部材として、Ho Si 、Er Ge 、Er Ga の群からなる化合物の何れか一つからなる磁気冷凍材料を使用することを特徴とする冷凍システム。
A refrigeration system including a magnetic container, an excitation/demagnetization mechanism that applies and removes a magnetic field to and from the magnetic container, and a cryopump stage inside a vacuum container equipped with a cryopump,
The magnetic container has a magnetic member on at least one end surface, and has a heat insulating material on at least one end surface,
The excitation/demagnetization mechanism has a thermal switch and a permanent magnet, is movable within the vacuum container, and has a superconducting magnet together with the permanent magnet,
The cryopump stage and the magnetic container are in contact with each other at an end surface provided with the heat insulating material,
The excitation/demagnetization mechanism can be in contact with the magnetic member and the cryopump stage through a thermal switch , and
A refrigeration system characterized in that, as the magnetic member, a magnetic refrigeration material made of any one of compounds from the group of Ho 5 Si 3 , Er 5 Ge 3 , and Er 5 Ga 3 is used.
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