JP7727280B2 - Magnetic refrigeration material and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、磁気冷凍材料とその製造方法に関する。 The present invention relates to a magnetic refrigeration material and a method for producing the same.
省エネ・低炭素化社会が進む未来水素社会の実現のためには、気体水素の1/800の体積であり、大量輸送、大量供給、大量貯蔵、省スペース、超高純度の特徴を持つ液体水素の活用が不可欠であるが、現状の圧縮機による水素液化技術には、製造時の液化効率の低さや蒸発による損失などの問題がある。ここで、磁気冷凍は、磁気熱量効果を示す磁性材料を冷媒として用いる冷却技術であり、磁場増加・減少のサイクルによって強磁性・常磁性相転移を起こし、そこで生じる吸熱反応・発熱反応を利用して冷凍する。磁気冷凍機は、気体の圧縮・膨張による冷凍機と比較して、エネルギー効率が高く、低コストで水素を液化することが可能な冷凍機として開発がなされている(例えば、https://www.jst.go.jp/mirai/jp/program/large-scale-type/theme06.html参照)。 To realize a future hydrogen society that promotes energy conservation and a low-carbon society, it is essential to utilize liquid hydrogen, which has 1/800 the volume of gaseous hydrogen and features characteristics such as mass transportation, mass supply, mass storage, space-saving, and ultra-high purity. However, current hydrogen liquefaction technology using compressors has problems such as low liquefaction efficiency during production and loss due to evaporation. Magnetic refrigeration is a cooling technology that uses a magnetic material that exhibits the magnetocaloric effect as a refrigerant. A ferromagnetic-paramagnetic phase transition occurs through cycles of increasing and decreasing the magnetic field, and the resulting endothermic and exothermic reactions are used to refrigerate. Magnetic refrigerators are being developed as refrigerators that are more energy efficient and capable of liquefying hydrogen at low cost compared to refrigerators that use gas compression and expansion (see, for example, https://www.jst.go.jp/mirai/jp/program/large-scale-type/theme06.html).
従来より、種々の磁気冷凍材料が提案されてきている(例えば、特許文献1~3)。また、磁気冷凍材料の開発には、目的とする温度(水素液化では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磁気エントロピー変化をもたらすことが重要であり、これまで室温磁気冷凍材料では(例えば、La(FeSi)13)を代表とした材料開発が行われている。また、水素液化温度付近においても、ラーベス相(例えば、ErCo2)といった材料で、大きな磁気エントロピー変化を有することが知られている。 Various magnetic refrigeration materials have been proposed in the past (for example, Patent Documents 1 to 3). Furthermore, in developing magnetic refrigeration materials, it is important to bring about a large magnetic entropy change when the magnetic field of the magnetic material is turned on and off near the target temperature (20 Kelvin for hydrogen liquefaction). To date, room-temperature magnetic refrigeration materials, such as La(FeSi) 13 , have been developed. Furthermore, it is known that materials such as Laves phases (for example, ErCo 2 ) have a large magnetic entropy change even near the hydrogen liquefaction temperature.
しかしながら、磁気冷凍材料は使用環境により水素化物を形成し得る。通常、水素化は、過多になると、母体となる金属を脆化することが多く、機械特性が劣化するとされる。 However, magnetic refrigeration materials can form hydrides depending on the environment in which they are used. Excessive hydriding typically embrittles the base metal, resulting in a deterioration of mechanical properties.
一方、金属よりも水素の拡散速度が遅い、例えば、Al2O3やCr2O3のような金属の酸化物、TiNやSiNのような金属の窒化物、SiCのような金属の炭化物が知られている(例えば、非特許文献1)。 On the other hand, materials that have a slower hydrogen diffusion rate than metals, such as metal oxides such as Al 2 O 3 and Cr 2 O 3 , metal nitrides such as TiN and SiN, and metal carbides such as SiC, are known (for example, Non-Patent Document 1).
上述のように、種々の磁気冷凍材料が提案されてきているが、このような磁気冷凍材料の製造環境や使用環境等における挙動については詳しく調べられてこなかった。特に、水素との接触が多いと考えられる磁気冷凍材料の水素との化学反応は注目に値するが、充分な知見が得られてきたとは言い難い。 As mentioned above, various magnetic refrigeration materials have been proposed, but the behavior of these materials in their manufacturing and usage environments has not been thoroughly investigated. In particular, the chemical reactions between hydrogen and magnetic refrigeration materials, which are thought to come into frequent contact with hydrogen, are worthy of attention, but it cannot be said that sufficient knowledge has been gained.
本発明者らは、かかる背景の下、鋭意研究を行った結果、金属からなる磁気冷凍材料において、水素化が進行した場合、その過程で、多くは水素化物形成後の体積膨張により粉々になるおそれがあることを発見した。また、水素化によって磁気特性も大きく変化し、磁気冷凍材料としての機能が低下することを発見した。 The inventors conducted extensive research against this background and discovered that when hydrogenation progresses in magnetic refrigeration materials made of metals, many of them may shatter due to the volume expansion that occurs after hydride formation. They also discovered that hydrogenation significantly changes the magnetic properties, reducing their functionality as magnetic refrigeration materials.
金属からなる磁気冷凍材料の水素化は、機械特性及び磁気特性にも影響を及ぼす水素化物の形成につながる。水素化物の形成を防ぐためには、水素バリア層を利用することが考えられる。このような水素バリア材料として、MoやWのような金属、Al2O3やCr2O3のような酸化物、TiNやSiNのような窒化物、SiCのような炭化物が考えられる。 Hydrogenation of metallic magnetic refrigeration materials leads to the formation of hydrides, which affect their mechanical and magnetic properties. To prevent this, a hydrogen barrier layer can be used. Possible hydrogen barrier materials include metals such as Mo and W, oxides such as Al 2 O 3 and Cr 2 O 3 , nitrides such as TiN and SiN, and carbides such as SiC.
そこで、水素化を防ぐために、磁気冷凍材料の表層に水素バリア層を形成することを見出した。これにより水素化を有効に防止することができる。例えば、酸素雰囲気で熱処理を行い表層に酸化層を形成することで、下地の磁気冷凍材料との密着性が良く、安価で加工が容易な水素バリアコーティングを実現することができる。これにより、磁気熱量効果が大きいが水素化しやすいラーベス相の化合物等を水素雰囲気で磁気冷凍材料として使用することがより容易になる。 We therefore discovered that forming a hydrogen barrier layer on the surface of the magnetic refrigeration material can effectively prevent hydrogenation. For example, by performing heat treatment in an oxygen atmosphere to form an oxide layer on the surface, it is possible to achieve a hydrogen barrier coating that has good adhesion to the underlying magnetic refrigeration material and is inexpensive and easy to process. This makes it easier to use Laves phase compounds, which have a large magnetocaloric effect but are easily hydrogenated, as magnetic refrigeration materials in a hydrogen atmosphere.
磁気冷凍材料を磁気冷凍機に用いる場合、気体や液体との熱の交換の最大化の観点から、直径約300ミクロンの粒(球)に成形することが多い。磁気冷凍材料として、磁気熱量効果の大きい材料、例えばラーベス相の化合物の中でErCo2を挙げることができるが、磁気特性の改善のために不活性雰囲気下又は真空下800℃程度の温度で1週間程度の長時間の均質化熱処理を行うことが好ましい。均質化熱処理後の試料を水素雰囲気に曝すと、水素化のために短時間のうちに粉々になり、磁気特性が大きく変化し、磁気冷凍材料として機能しなくなるおそれがある。加えて、従来知られている水素バリア材料を表面に隙間や凹凸のある直径300ミクロンの粒(球)に均一に成膜することは技術的に困難であるだけでなく、仮に実現できたとしても高コストである。 When magnetic refrigeration materials are used in magnetic refrigerators, they are often formed into particles (spheres) with a diameter of approximately 300 microns to maximize heat exchange with gases or liquids. Magnetic refrigeration materials with a large magnetocaloric effect, such as ErCo2 , a Laves phase compound, are preferred. To improve their magnetic properties, they are preferably subjected to a long-term homogenization heat treatment, approximately one week, at approximately 800°C in an inert atmosphere or vacuum. If a sample after homogenization heat treatment is exposed to a hydrogen atmosphere, it may shatter within a short time due to hydrogenation, significantly changing its magnetic properties and potentially failing to function as a magnetic refrigeration material. Furthermore, uniformly depositing conventional hydrogen barrier materials onto particles (spheres) with a diameter of 300 microns and having gaps and irregularities on the surface is not only technically difficult, but also expensive, even if feasible.
そこで、本発明者らは、表面に水素バリアを付けるのではなく、磁気冷凍材料の表面を処理して、水素バリア層を形成することに成功した。 Therefore, rather than attaching a hydrogen barrier to the surface, the inventors succeeded in forming a hydrogen barrier layer by treating the surface of the magnetic refrigeration material.
このような処理は、酸化性の雰囲気中で加熱することで実施可能である。酸化性の雰囲気は、例えば、酸素を含む雰囲気でもよく、酸素を放出する化合物を含む雰囲気であってもよい。このような酸化性の雰囲気での熱処理は均質化の熱処理の後に行うことが好ましい。酸素雰囲気を含む酸化性の雰囲気での熱処理後に均質化の熱処理を行うと、酸素がより内部に拡散し、水素のバリア効果が損なわれるおそれがある。形成された酸化物層が自然酸化膜より10nm以上厚いことが好ましい。薄すぎると十分な水素バリア効果が得られないおそれがある。一方、厚すぎると磁気冷凍材料としての磁気特性が劣化するおそれがある。酸化物層と全体との体積比は3/4以下が望ましい。 Such treatment can be carried out by heating in an oxidizing atmosphere. The oxidizing atmosphere may be, for example, an oxygen-containing atmosphere or an atmosphere containing a compound that releases oxygen. Heat treatment in such an oxidizing atmosphere is preferably performed after homogenization heat treatment. If homogenization heat treatment is performed after heat treatment in an oxidizing atmosphere containing oxygen, oxygen may diffuse further inward, potentially impairing the hydrogen barrier effect. It is preferable that the formed oxide layer be at least 10 nm thicker than the native oxide film. If it is too thin, a sufficient hydrogen barrier effect may not be achieved. On the other hand, if it is too thick, the magnetic properties as a magnetic refrigeration material may deteriorate. The volume ratio of the oxide layer to the entire material is preferably 3/4 or less.
また、酸化物層の形成後に不活性な雰囲気下又は真空下で均質化熱処理温度以下の温度で熱処理することが好ましい。水素バリア効果が更に高まることがある。磁気冷凍材料は、バルク状、薄膜状、粒子状、微粒子状、超微粒子状などのような形態であってもよい。例えば、30nm以上3000μm以下の粒又は球を磁気冷凍材料において、酸素雰囲気での熱処理による酸化物の形成では隙間で繋がった粒又は球の内部の空洞の表層まで均一に酸化物層の形成が可能である。粒又は球の成形において、隙間や凹凸が表面に形成されたり、空洞が内部に形成されることもあり、スパッタリングやめっきなどの乾式・湿式の成膜方法では、均一な酸化物層形成は必ずしも容易ではなく、比較的に高コストである。 After the oxide layer is formed, it is preferable to perform a heat treatment in an inert atmosphere or under vacuum at a temperature equal to or lower than the homogenization heat treatment temperature. This may further enhance the hydrogen barrier effect. The magnetic refrigeration material may be in the form of bulk, thin film, particles, fine particles, ultrafine particles, etc. For example, in a magnetic refrigeration material consisting of particles or spheres measuring 30 nm to 3000 μm, heat treatment in an oxygen atmosphere to form an oxide layer can form a uniform oxide layer all the way to the surface of the cavities inside the particles or spheres connected by gaps. When forming the particles or spheres, gaps or irregularities can form on the surface, or cavities can form inside. Therefore, it is not always easy to form a uniform oxide layer using dry or wet film formation methods such as sputtering or plating, and these methods are relatively expensive.
具体的には、以下のようなものを含んでよい。
RT2で表されるラーベス相化合物であり、Rは、少なくとも1種類以上の希土類元素であり、Tは、Co、Ni、Al、及びFeからなる群から選択される少なくとも1種類以上の元素であり、酸化物を含む表層の厚みが10nm以上であり、形成された酸化物層の体積と全体の体積の比が3/4以下である磁気冷凍材料。
上述する何れかの磁気冷凍材料において、Rは、スカンジウム,イットリウム,ランタン,セリウム,プラセオジム,ネオジム,プロメチウム,サマリウム,ユウロピウム,ガドリニウム,テルビウム,ジスプロシウム,ホルミウム,エルビウム,ツリウム,イッテルビウム,ルテチウムからなる群から選択される少なくとも1種類以上の元素である磁気冷凍材料。
上述する何れかの磁気冷凍材料において、Rは、エルビウムである磁気冷凍材料。
上述する何れかの磁気冷凍材料において、Tは、コバルトである磁気冷凍材料。
上記酸化物層は、いわゆる自然酸化膜よりも厚いものであってよい。
上記酸化物層は、ErxCoyOz(x+y+z=1)で表される化合物を含み、0≦x≦0.6、0<y≦0.6、0<z≦0.6である磁気冷凍材料。ここで、0≦x≦0.7であってもよく、0≦x≦0.65であってもよい。0<y≦0.7であってもよく、0<y≦0.65であってもよい。0<z≦0.7であってもよく、0<z≦0.65であってもよい。
上述する何れかの磁気冷凍材料において、磁気冷凍材料の形状が、球体、楕円体、又は扁楕円体近似可能な形状である磁気冷凍材料。
上述する何れかの磁気冷凍材料において、その形状を球近似をした場合に、直径が60nm以上であり、6000μm以下である磁気冷凍材料。
上述する何れかの磁気冷凍材料において、構成する各粒体の平均粒径が、上述するように球近似をした場合に、60nm以上、6000μm以下である磁気冷凍材料。上記平均粒径は、100nm以上であってもよく、200nm以上であってもよく、300nm以上であってもよい。上記平均粒径は、6000μm以下であってもよく、1000μm以下であってもよく、300μm以下であってもよい。
上述する何れかの磁気冷凍材料を備えるAMRベッド。
上述する何れかのAMRベッドを備えた磁気冷凍装置。
上述する何れかの磁気冷凍装置であって、前記AMRベッドに磁場を印加する磁場印加手段と、冷温により被冷却物を冷却する冷凍ステージと、前記AMRベッドにより発生する温熱を排熱する熱交換器とを更に備える磁気冷凍装置。
RT2で表されるラーベス相化合物を含む磁気冷凍材料の耐水素化を向上させる方法であって、Rは、少なくとも1種類以上の希土類元素であり、Tは、Co、Ni、Al、及びFeからなる群から選択される少なくとも1種類以上の元素であり、磁気冷凍材料を成形するステップと、磁気冷凍材料の表面に水素バリア層を形成するステップと、を含む、方法。
RT2で表されるラーベス相化合物を含む磁気冷凍材料の耐水素化を向上させる方法であって、Rは、少なくとも1種類以上の希土類元素であり、Tは、Co、Ni、Al、及びFeからなる群から選択される少なくとも1種類以上の元素であり、磁気冷凍材料を成形するステップと、成形された磁気冷凍材料を均質化処理するステップと、磁気冷凍材料の表面に水素バリア層を形成するステップと、を含む、方法。上記水素バリア層を形成するステップは、磁気冷凍材料を所定の雰囲気中で熱処理するステップを含んでもよい。上記所定の雰囲気は、酸化性の雰囲気を含んでよい。この酸化性の雰囲気は、酸素又は活性な酸素を放出可能な化合物を含む雰囲気を含んでもよい。酸素を含む酸化性の雰囲気において、酸素の分圧は、100Pa以上が好ましく、1000Pa以上が好ましく、10000Pa以上が好ましい。酸素の分圧の上限は、特にないが、好ましい水素バリア層(酸化物層を含んでもよい)を形成可能な圧力が好ましく、例えば、大気圧中の酸素の分圧程度であってもよい。
上述する何れかの方法において、前記水素バリア層を形成するステップ後に、不活性な雰囲気下で、磁気冷凍材料を熱処理するステップを含む、方法。前記水素バリア層を形成するステップは、酸化物層を形成するステップを含んでもよい。
上述する水素バリア層を形成するステップは、成形された磁気冷凍材料を酸化性雰囲気中で所定の温度範囲内で保持するステップを含んでもよい。上記所定の温度範囲は、250℃以上、850℃以下であってもよい。また、上記所定の温度範囲は、150℃以上であってもよく、200℃以上であってもよく、250℃以上であってもよい。また、上記所定の温度範囲は、1000℃以下であってもよく、900℃以下であってもよく、850℃以下であってもよい。
磁気冷凍材料を製造する方法であって、上述する何れかの磁気冷凍材料の耐水素化を向上させる方法を含む製造方法。
Specifically, this may include the following:
A magnetic refrigeration material comprising a Laves phase compound represented by RT2 , wherein R is at least one rare earth element, and T is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Al, and Fe, the thickness of a surface layer containing an oxide is 10 nm or more, and the ratio of the volume of the formed oxide layer to the total volume is 3/4 or less.
In any of the above-described magnetic refrigeration materials, R is at least one element selected from the group consisting of scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, and lutetium.
Any of the above magnetic refrigeration materials, wherein R is erbium.
Any of the above magnetic refrigeration materials, wherein T is cobalt.
The oxide layer may be thicker than a so-called native oxide film.
The oxide layer is a magnetic refrigeration material containing a compound represented by ErxCoyOz ( x +y+z=1), where 0≦x≦0.6, 0<y≦0.6, and 0<z≦0.6. Here, 0≦x≦0.7 or 0≦x≦0.65 may be satisfied. 0<y≦0.7 or 0<y≦0.65 may be satisfied. 0<z≦0.7 or 0<z≦0.65 may be satisfied.
Any of the above magnetic refrigeration materials, wherein the shape of the magnetic refrigeration material is a sphere, an ellipsoid, or a shape that can be approximated to an oblate ellipsoid.
Any of the above magnetic refrigeration materials, wherein the diameter of the magnetic refrigeration material when its shape is approximated as a sphere is 60 nm or more and 6000 μm or less.
In any of the above magnetic refrigeration materials, the average particle size of each constituent particle, when approximated as a sphere as described above, is 60 nm or more and 6000 μm or less. The average particle size may be 100 nm or more, 200 nm or more, or 300 nm or more. The average particle size may be 6000 μm or less, 1000 μm or less, or 300 μm or less.
An AMR bed comprising any of the above magnetic refrigeration materials.
A magnetic refrigerator equipped with any of the above-described AMR beds.
Any of the above-described magnetic refrigeration devices further comprising a magnetic field application means for applying a magnetic field to the AMR bed, a refrigeration stage for cooling an object to be cooled by cold, and a heat exchanger for dissipating heat generated by the AMR bed.
A method for improving the hydrogen resistance of a magnetic refrigeration material containing a Laves phase compound represented by RT2 , wherein R is at least one rare earth element and T is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Al, and Fe, the method comprising the steps of: molding the magnetic refrigeration material; and forming a hydrogen barrier layer on a surface of the magnetic refrigeration material.
A method for improving the hydrogen resistance of a magnetic refrigeration material containing a Laves phase compound represented by RT2 , wherein R is at least one rare earth element and T is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Al, and Fe, the method comprising the steps of: molding the magnetic refrigeration material; homogenizing the molded magnetic refrigeration material; and forming a hydrogen barrier layer on the surface of the magnetic refrigeration material. The step of forming the hydrogen barrier layer may include a step of heat-treating the magnetic refrigeration material in a predetermined atmosphere. The predetermined atmosphere may include an oxidizing atmosphere. The oxidizing atmosphere may include an atmosphere containing oxygen or a compound capable of releasing active oxygen. In the oxidizing atmosphere containing oxygen, the partial pressure of oxygen is preferably 100 Pa or more, more preferably 1,000 Pa or more, and even more preferably 10,000 Pa or more. There is no particular upper limit to the partial pressure of oxygen, but a pressure that allows the formation of a desirable hydrogen barrier layer (which may include an oxide layer) is preferred, and may be, for example, approximately the partial pressure of oxygen at atmospheric pressure.
Any of the methods described above, further comprising the step of heat-treating the magnetic refrigeration material in an inert atmosphere after the step of forming the hydrogen barrier layer, wherein the step of forming the hydrogen barrier layer may include the step of forming an oxide layer.
The step of forming the hydrogen barrier layer may include a step of holding the molded magnetic refrigeration material in an oxidizing atmosphere within a predetermined temperature range. The predetermined temperature range may be 250°C or higher and 850°C or lower. The predetermined temperature range may be 150°C or higher, 200°C or higher, or 250°C or higher. The predetermined temperature range may be 1000°C or lower, 900°C or lower, or 850°C or lower.
A method for producing a magnetic refrigeration material, the method including a method for improving the hydrogen resistance of any of the magnetic refrigeration materials described above.
以上のように、本発明の実施例において、磁気冷凍材料の水素化を低下させることができるので、その磁気冷凍材料の成形体の形状を維持することができ、また、磁気冷凍材料としての機能を保持することができる。 As described above, in the embodiments of the present invention, hydrogenation of the magnetic refrigeration material can be reduced, allowing the shape of the molded body of the magnetic refrigeration material to be maintained and its functionality as a magnetic refrigeration material to be maintained.
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that like elements are numbered likewise and their description will be omitted.
図1は、本発明の実施例において、ErCo2の結晶構造を図解する。構造はラーベス相のMgCu2型で、格子パラメータはa=b=c=0.71536nm、α=β=γ=90°である。このようなラーベス相では原子半径比がおおよそ1.2:1のA,B金属元素がAB2の組成比で結合して化合物を形成している。大きな原子Aと小さな原子Bからなる結晶構造は大小の球の詰め込み構造と考えられ、特定の格子位置であるAサイト及びBサイトに入る。Aサイトは4ヶのAと12ヶのB原子を隣接原子として持ち、Bサイトは6ヶのA原子と6ケのB原子によって取り囲まれる。現想的なラーベス相結晶では、A-A原子、B-B原子はそれぞれ接触し、A-B原子間の接触はないように原子充填が行なわれている。このような場合に,両原子の原子半径比には、RA/RB=√3/2=1.225の関係が成立する。一般に、Aサイトに配置された原子はダイヤモンド構造と同様な配置となり、Bサイトの原子はAサイト周りに4面体を形成する。ラーベス相化合物は一種の稠密充填構造なので、面心立方格子と六方稠密格子の違いに似た原子の積み重ねの違いによって,cubicのMgCu2型(C15)、hexagonalのMgZn2型(C14)、MgNi2型(C36)の3種類の結晶構造を有している。 Figure 1 illustrates the crystal structure of ErCo2 in an embodiment of the present invention. The structure is a Laves phase MgCu2 type with lattice parameters a = b = c = 0.71536 nm and α = β = γ = 90°. In such a Laves phase, A and B metal elements with an atomic radius ratio of approximately 1.2:1 are bonded in an AB2 composition ratio to form a compound. The crystal structure, consisting of large A atoms and small B atoms, can be thought of as a packing structure of large and small spheres, which occupy specific lattice positions, the A site and the B site. The A site has four A atoms and 12 B atoms as neighboring atoms, while the B site is surrounded by six A atoms and six B atoms. In a realistic Laves phase crystal, the atomic packing is such that A-A atoms and B-B atoms are in contact with each other, but there is no contact between A and B atoms. In such cases, the atomic radius ratio of the two atoms is RA/RB = √3/2 = 1.225. Generally, atoms located at the A site are arranged in a manner similar to that of a diamond structure, while atoms at the B site form tetrahedra around the A site. Because Laves phase compounds have a type of close-packed structure, they have three types of crystal structures: cubic MgCu 2- type (C15), hexagonal MgZn 2- type (C14), and MgNi 2- type (C36), due to differences in atomic stacking similar to the difference between a face-centered cubic lattice and a hexagonal close-packed lattice.
RAl2(R=Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu)は、RAl2中の稀土類金属の磁気モーメント間には明らかに強磁性的な交換相互作用が働いているが、HoAl2にみられるように、得られた磁気モーメントはHoの3価イオンの理論的モーメント値gIより低いとされた。 In RAl2 (R = Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu), there is clearly a ferromagnetic exchange interaction between the magnetic moments of the rare earth metals in RAl2 , but as seen in HoAl2 , the obtained magnetic moment is considered to be lower than the theoretical moment value gI of the trivalent ion of Ho.
例えば、RT2(R=Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb)において、RNi2(R=Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm)、RCo2(R=Y、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu)、RFe2(R=Ce、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、Y)の磁気のデータが既に調べられている。 For example, magnetic data have already been investigated for RNi 2 (R = Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm), RCo 2 (R = Y, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu), and RFe 2 (R = Ce, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Y) in RT 2 (R = Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb).
このように、ErCo2、ErNi2、ErAl2、ErFe2は、MgCu2型のラーベス相金属間化合物であるだけでなく、磁気冷凍材料として機能を発揮することが明らかである。また、これらの表面の酸化物層は、水素バリア層として機能し得る。以下の実験例では、特に、ErCo2について述べるが、同様なことは、これらの何れのラーベス相金属間化合物も同様であることは、当業者に理解される。 Thus, it is clear that ErCo2 , ErNi2 , ErAl2 , and ErFe2 are not only MgCu2- type Laves phase intermetallic compounds, but also function as magnetic refrigeration materials. Furthermore, the oxide layers on their surfaces can function as hydrogen barrier layers. In the following experimental examples, ErCo2 will be described in particular, but those skilled in the art will understand that the same applies to any of these Laves phase intermetallic compounds.
[実験例]
(ErCo2の調製)
原料として、長汀金龍稀土株式会社(Fujian Changting Golden Dragon Rare-Earth Co., Ltd.)製の塊状Er(3N、純度99.9%)及び住友金属鉱山株式会社製の塊状Co(3N、純度99.9%)を、モル比でErCo2になるように秤量し、アルゴン中で高周波溶解炉により溶解し、ErCo2を合成した。合成したErCo2から鋳造インゴット棒を作製した。日新技研株式会社製のフリーフォール式ガスアトマイズ装置を用いて、この鋳造インゴット棒を電極として先端を1400℃ぐらいまで高周波溶解し、生じた落下溶湯流に、1~5MPaに加圧したアルゴンをガスジェットノズルを通して吹き付け、溶湯流を攪拌してアトマイズした。これにより、直径約300ミクロンの粒に成形した。得られた直径約300ミクロンの粒は、タンタルフォイルに包み、ステンレス製の管内に配置し、このステンレス製の管内にアルゴンガスを約0.5気圧封入した。この封入管をマッフル炉に投入して、室温から約5℃/minの昇温速度で加熱し、850℃に到達後、1週間、その温度を維持した。その後、炉の電源を落として室温まで冷却した。このようにして、Ar雰囲気下において850℃で1週間の均質化熱処理を行ったものを試料1として一部取り出した。このときの粒の球近似をしたときの平均直径は、約300μmであった。平均粒径は後述するような方法で求めることができる。また、概ね約212μmから約355μmの粒径のものであった。
[Experimental Example]
(Preparation of ErCo2 )
As raw materials, lump erbium (3N, purity 99.9%) manufactured by Fujian Changting Golden Dragon Rare-Earth Co., Ltd. and lump cobalt (3N, purity 99.9%) manufactured by Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. were weighed in a molar ratio to produce ErCO2 and melted in an argon atmosphere in a high-frequency melting furnace to synthesize ErCO2 . A cast ingot rod was produced from the synthesized ErCO2 . Using a free-fall gas atomization device manufactured by Nisshin Giken Co., Ltd., this cast ingot rod was used as an electrode to high-frequency melt the tip to approximately 1400°C. Argon pressurized to 1-5 MPa was sprayed through a gas jet nozzle onto the resulting falling molten metal stream, stirring and atomizing the molten metal stream. This resulted in the formation of grains approximately 300 microns in diameter. The resulting particles, each approximately 300 microns in diameter, were wrapped in tantalum foil and placed in a stainless steel tube, which was then filled with argon gas at approximately 0.5 atmospheres. The tube was then placed in a muffle furnace and heated from room temperature at a rate of approximately 5°C/min. After reaching 850°C, the temperature was maintained for one week. The furnace was then turned off and cooled to room temperature. A portion of the sample was subjected to homogenization heat treatment at 850°C in an Ar atmosphere for one week and taken as Sample 1. The average diameter of the particles, approximated as a sphere, was approximately 300 μm. The average particle size can be determined using the method described below. The particle sizes ranged from approximately 212 μm to approximately 355 μm.
(酸化熱処理)
均質化熱処理後の粒状試料をアルミナ製るつぼに入れ、少し隙間を開けた状態で蓋をし、マッフル炉を用いて大気雰囲気で室温から25℃/min程度の昇温速度で500℃まで加熱した後、500℃で30分間保持し、酸化処理を行った。その後、炉の電源を切り、5℃/min程度の速度で350℃まで冷却し、マッフル炉の扉を開け、るつぼの蓋を閉め、10℃/min程度の速度で200℃以下まで冷却し、蓋をしたるつぼを炉から取り出して室温大気中で10分間放置してから試料2を取り出した。このようにして、得られた粒状試料同士はお互いの接点で接着するが、軽く振動を加えると解体し、粒状に戻った。
(Oxidation heat treatment)
The granular sample after the homogenization heat treatment was placed in an alumina crucible, the lid was closed with a small gap, and the sample was heated in an air atmosphere using a muffle furnace from room temperature to 500 ° C at a heating rate of about 25 ° C / min, and then held at 500 ° C for 30 minutes to perform an oxidation treatment. The furnace was then turned off, the temperature was cooled to 350 ° C at a rate of about 5 ° C / min, the muffle furnace door was opened, the crucible lid was closed, and the sample was cooled to 200 ° C or less at a rate of about 10 ° C / min. The covered crucible was removed from the furnace and left in room temperature air for 10 minutes, after which sample 2 was removed. The granular samples obtained in this way were bonded to each other at their contact points, but when lightly vibrated, they disintegrated and returned to their granular form.
(真空熱処理)
酸化熱処理後の粒状試料(試料2)の一部をタンタルフォイルに包み、片封じ石英管内に設置し、真空引きを行い、3×10-4Pa程度の真空下で、室温より6.7℃/minの速度で電気炉により530℃に加熱した後、5時間維持した(真空下500℃で5時間熱処理)。その後、電源を落として室温まで冷却して真空排気を止め、石英管内に大気を導入して試料を取り出した。このようにして、試料3を得た。
(Vacuum heat treatment)
A portion of the granular sample (sample 2) after the oxidation heat treatment was wrapped in tantalum foil and placed in a one-sided sealed quartz tube, which was then evacuated and heated in an electric furnace at a rate of 6.7°C/min from room temperature to 530°C under a vacuum of approximately 3 x 10-4 Pa, and maintained at this temperature for 5 hours (5-hour heat treatment at 500°C under vacuum). The power was then turned off, the sample was cooled to room temperature, the evacuation was stopped, air was introduced into the quartz tube, and the sample was removed. In this way, sample 3 was obtained.
(水素暴露試験)
試料1~3を同量計量し、同じ体積の別々の容器に12気圧で水素ガスを充填して密閉し、室温でのその後の圧力変化により水素化の過程を調べた。その結果を図2、図6、図8に示す。これらの図で上方のプロットが、水素圧力であり、下方のプロットが温度を示す。密閉後、最大7日間観測を続けた。試料1では、水素圧力が約1時間ほどで1.28MPaから1.08MPaほどまで大きく下がり、その後ほぼ一定となった(図2)。このことから、水素化が完了したことが分かる。即ち、均質化処理だけを行った試料1では、いわゆる水素バリア効果が認められなかった。この時の温度は、24℃から23℃であった。また、試料2では、封入後1時間以内の水素圧力の急激な低下は見られず、時間に比例して徐々に水素圧力が低下して、最初1.28MPaから7日後に1.25MPa(水素圧2.2%減)になった(図6)。これにより、試料2は時間に比例して徐々に水素化が進行し、7日間で試料1の反応水素量の14%程度の水素化が認められた。この時の温度は、23.5℃から22.5℃であった。試料3では、封入後2日間は水素圧力の低下が認められず、その後徐々に減少して、1.27MPaから7日後に1.25MPa(水素圧2.0%減少)になった(図8)。また、水素圧力の低下速度が6日目頃から特に小さくなった。このように、試料3は、時間と共に徐々に水素化が進行するも、反応が飽和する傾向が認められ、7日間で試料1の反応水素量の13%程度の水素化が認められた。
(Hydrogen exposure test)
Equal amounts of Samples 1 to 3 were weighed and placed in separate containers of equal volume. They were filled with hydrogen gas at 12 atmospheres and sealed. The hydrogenation process was monitored by measuring the subsequent pressure change at room temperature. The results are shown in Figures 2, 6, and 8. In these figures, the upper plot represents hydrogen pressure, and the lower plot represents temperature. After sealing, observations were continued for up to seven days. For Sample 1, the hydrogen pressure significantly decreased from 1.28 MPa to 1.08 MPa in approximately one hour and then remained nearly constant (Figure 2). This indicates that hydrogenation was complete. In other words, Sample 1, which was subjected only to homogenization treatment, did not exhibit the so-called hydrogen barrier effect. The temperature at this time was between 24°C and 23°C. Furthermore, for Sample 2, there was no sudden decrease in hydrogen pressure within one hour after sealing. Instead, the hydrogen pressure gradually decreased over time, from an initial value of 1.28 MPa to 1.25 MPa (a 2.2% decrease in hydrogen pressure) after seven days (Figure 6). As a result, hydrogenation of Sample 2 progressed gradually in proportion to time, and hydrogenation of approximately 14% of the amount of reacted hydrogen of Sample 1 was observed over seven days. The temperature at this time was 23.5°C to 22.5°C. In Sample 3, no decrease in hydrogen pressure was observed for two days after sealing, and then it gradually decreased, from 1.27 MPa to 1.25 MPa after seven days (a 2.0% decrease in hydrogen pressure) (Figure 8). Furthermore, the rate of decrease in hydrogen pressure became particularly slow from around the sixth day. Thus, although hydrogenation of Sample 3 progressed gradually over time, the reaction tended to saturate, and hydrogenation of approximately 13% of the amount of reacted hydrogen of Sample 1 was observed over seven days.
(光学顕微鏡観察)
試料1~3について、水素暴露前後でErCo2粒を光学顕微鏡で観察した(図3、図7、図9)。図3から分かるように、(A)試験前には、粒が明確に認められるが、(B)試験後は、殆ど全ての粒が壊れて粉々になっているのが認められる。これは、水素暴露後に水素化による体積膨張のため粒が粉々になっていたためと考えられる。このような粉々になったものは、磁気特性を測定するまでもなく、磁気冷凍材料として好ましくないことが分かる。図7及び図8から分かるように、試料2及び試料3は、(A)試験前にあった大半の粒はそのままで、(B)試験後には一部の粒だけが粉々になっていた。つまり、水素暴露後に水素化による体積膨張が抑制されたことが分かる。即ち、試料2及び試料3において明確な水素バリア効果があること、水素バリア効果は試料2よりも試料3の方が大きかったことが分かる。
(Optical microscope observation)
The ErCo 2 grains of Samples 1 to 3 were observed under an optical microscope before and after hydrogen exposure (Figures 3, 7, and 9). As can be seen from Figure 3, (A) grains were clearly visible before the test, but (B) almost all of the grains were broken into pieces after the test. This is thought to be due to the grains being broken into pieces due to volume expansion caused by hydrogenation after hydrogen exposure. Even without measuring the magnetic properties, it is clear that such broken grains are unsuitable for magnetic refrigeration materials. As can be seen from Figures 7 and 8, in Samples 2 and 3, (A) most of the grains remained intact before the test, while (B) only some of the grains were broken into pieces after the test. This indicates that volume expansion due to hydrogenation was suppressed after hydrogen exposure. This indicates that Samples 2 and 3 have a clear hydrogen barrier effect, and that the hydrogen barrier effect is greater in Sample 3 than in Sample 2.
(磁気特性の評価1)
上述する試料1について、水素暴露前及び後の磁気特性を評価した。その結果を図4及び図5に示す。これらの図において、水素暴露前の試料1は、Ar-850℃-1wと記され、水素暴露後は、H2-exposedと記される。図4から、水素暴露前の試料1では、約30Kあたりで磁化が大きく変化しており、磁気特性が優れることが分かる。一方、水素暴露後は、そのような特性を示さず、磁気冷凍材料として好ましくないことが分かる。また、図5から、水素暴露前の試料1は、水素暴露後と比べて、低い磁場から高い磁場まで、磁化がより高く、磁気特性がより優れることが分かる。また、試料1は水素暴露の前後で磁化特性及びその温度依存性が大きく変化しており、水素化すると磁気冷凍材料として機能することが難しいことが分かった。試料2及び3は水素暴露の前後で磁気特性に大きな変化が認められず、水素暴露後も磁気冷凍材料として機能することが分かった。磁気冷凍材料としての性能を表す単位体積当たりのΔS(磁気エントロピー変化)の大小関係は、磁化特性の温度依存性から試料1>試料2>試料3と推定される。酸化物の形成等によりErCo2の体積が減少したことを反映したものと推察される。磁気冷凍材料は、液体窒素温度以下の温度領域で使用されるのが通例である。年に1度1日程度室温でメンテナンスを行う運用がなされる磁気冷凍システムにおいては、その際の室温での水素の暴露が水素バリアコーティング材料にとって一番厳しい環境となると思われる。しかしながら、実施例のような磁気冷凍材料であれば、数年分のメンテナンスに耐えるものと推定される。
(Evaluation of magnetic properties 1)
The magnetic properties of Sample 1 described above were evaluated before and after hydrogen exposure. The results are shown in Figures 4 and 5. In these figures, Sample 1 before hydrogen exposure is labeled "Ar-850°C-1w," and Sample 1 after hydrogen exposure is labeled "H 2 -exposed." Figure 4 shows that Sample 1 before hydrogen exposure exhibited a significant change in magnetization at approximately 30 K, indicating excellent magnetic properties. On the other hand, Sample 1 after hydrogen exposure did not exhibit such properties, indicating that it is not suitable as a magnetic refrigeration material. Figure 5 also shows that Sample 1 before hydrogen exposure exhibited higher magnetization and superior magnetic properties from low to high magnetic fields compared to Sample 1 after hydrogen exposure. Furthermore, Sample 1's magnetization characteristics and their temperature dependence changed significantly before and after hydrogen exposure, indicating that hydrogenation makes it difficult for it to function as a magnetic refrigeration material. Samples 2 and 3 did not show any significant changes in their magnetic properties before and after hydrogen exposure, indicating that they function as magnetic refrigeration materials even after hydrogen exposure. The magnitude relationship of ΔS (magnetic entropy change) per unit volume, which indicates the performance as a magnetic refrigeration material, is estimated to be Sample 1 > Sample 2 > Sample 3, based on the temperature dependence of the magnetization characteristics. This is presumed to reflect the decrease in volume of ErCo2 due to oxide formation, etc. Magnetic refrigeration materials are typically used in temperatures below liquid nitrogen. In magnetic refrigeration systems that undergo maintenance at room temperature for approximately one day once a year, exposure to hydrogen at room temperature during this period is thought to be the most severe environment for hydrogen barrier coating materials. However, magnetic refrigeration materials such as those in the examples are estimated to be able to withstand several years of maintenance.
(磁気特性の評価2)
表1に、水素暴露の前後で磁気特性を評価した試料の内容をまとめる。
Table 1 summarizes the details of the samples whose magnetic properties were evaluated before and after hydrogen exposure.
図11から図13は、上述する(1)~(4)について磁気特性を評価した結果を示す。図11は、磁場に対する磁化をプロットしたもので、(1)~(4)においておいて大きな違いはないことが分かる。図12は、温度に対する磁化をプロットしたものであり、図13は、60Kの磁化の値で規格化したものである。図12から(1)が一番優れた磁気特性を有することがわかる。また水素暴露前後では、(1)及び(2)並びに(3)及び(4)の対比から、水素暴露により、磁気特性が劣化したようにもみられる。次に、規格化した図13においては、同様な比較において、水素暴露の前後での違いはほとんど見られない。また、キュリー温度(~32 K)での磁化のとびから予想されるΔSの大小関係は、次のようになると考えられる。
ΔS(Ar-850℃-1w)>ΔS((1)&(2))>ΔS((3)&(4))
このことから、酸化とErCo3生成の影響でErCo2の体積が減少したことが影響した可能性があると考えられる。
Figures 11 to 13 show the results of evaluating the magnetic properties of the above-mentioned (1) to (4). Figure 11 plots magnetization versus magnetic field, and it can be seen that there is no significant difference among (1) to (4). Figure 12 plots magnetization versus temperature, and Figure 13 normalizes the magnetization value at 60 K. Figure 12 shows that (1) has the best magnetic properties. Furthermore, comparing (1) and (2) and (3) and (4) before and after hydrogen exposure, it appears that the magnetic properties deteriorated due to hydrogen exposure. Next, in Figure 13, which is normalized, a similar comparison shows almost no difference between before and after hydrogen exposure. Furthermore, the magnitude relationship of ΔS predicted from the magnetization jump at the Curie temperature (up to 32 K) is thought to be as follows:
ΔS (Ar-850℃-1w) > ΔS ((1) & (2)) > ΔS ((3) & (4))
This suggests that the decrease in volume of ErCo2 due to oxidation and the generation of ErCo3 may have had an effect.
(粒の表層組成)
図10は、試料1から試料3のEDSスペクトルを示す。試料1では、均質化熱処理を行ったが、酸化熱処理を行っていないため、酸素(O)の信号が小さいことが分かる(図10のA)参照)。一方、試料2では、酸化熱処理を行ったため、酸素の信号が著しく増強されたことが分かり、磁気冷凍材料の酸化が反映されていると考えられる。同時に、エルビウム(Er)の信号が著しく低下したことがわかる。このことから、磁気冷凍材料の表層の組成が変化したことが考えられる。酸化後の試料の黒色化と考え合わせると、磁気冷凍材料の表層にはCo酸化物形成の可能性が高いと思われる。酸化コバルトは、水素バリアとして機能するものと思われる(図10のB)参照)。更に、真空熱処理を行った試料3では、酸素(O)の信号の強度が減少したが、エルビウム(Er)の信号の強度は回復しなかった(図10のC)参照)。試料表面が灰白色に変化したことから、試料2がCo3O4又はCo2O3で試料3がCoOの可能性があると推測される。
(Grain surface composition)
Figure 10 shows the EDS spectra of Samples 1 to 3. Sample 1 underwent homogenization heat treatment but not oxidation heat treatment, resulting in a small oxygen (O) signal (see Figure 10A). On the other hand, Sample 2 underwent oxidation heat treatment, resulting in a significant increase in the oxygen signal, which is believed to reflect the oxidation of the magnetic refrigeration material. At the same time, the erbium (Er) signal was significantly reduced. This suggests a change in the composition of the surface layer of the magnetic refrigeration material. Considering the blackening of the sample after oxidation, it is highly likely that Co oxides formed on the surface layer of the magnetic refrigeration material. Cobalt oxide is believed to function as a hydrogen barrier (see Figure 10B). Furthermore, in Sample 3, which underwent vacuum heat treatment, the intensity of the oxygen (O) signal decreased, but the intensity of the erbium (Er) signal did not recover (see Figure 10C). Since the sample surfaces turned grayish white, it is speculated that sample 2 may be Co 3 O 4 or Co 2 O 3 and sample 3 may be CoO.
(粒の断面構造)
図14から図16は、試料1から試料3の磁気冷凍材の各粒子の断面を解析する図を示す。図14においては、酸化熱処理をしていないので、表面にはいわゆる自然酸化膜があるものと考えられる。実際、表面から、Er、Co、Oについて、これらの元素に起因する信号の強度を表層からとると、右下のグラフのように、最表面にOの小さなピークが見られ、Coの強度が比較的低いことから、エルビウム酸化物が形成されているものと推測される。図15は、酸化熱処理を行った試料2の断面図を示す。元素分析から、最表面にCo酸化物が主体の数ミクロン以下の酸化層が認められた。その下には、ErxCoyOzが主体の10-15ミクロン厚の準酸化層が認められた。図16は、酸化熱処理を行った後に更に真空熱処理を行った試料3の断面図を示す。元素分析から、最表面にCo酸化物が主体の数ミクロン以下の酸化層が認められた。その下には、ErxCoyOzが主体の20-30ミクロン厚の準酸化層が認められた。
(Cross-sectional structure of grains)
Figures 14 to 16 show cross-sectional analyses of each particle of the magnetic refrigeration materials of Samples 1 to 3. In Figure 14, no oxidative heat treatment was performed, suggesting the presence of a so-called native oxide film on the surface. In fact, when measuring the signal intensities of Er, Co, and O elements from the surface, as shown in the graph at the bottom right, a small O peak is observed on the outermost surface, while the Co intensity is relatively low, suggesting the formation of erbium oxide. Figure 15 shows a cross-sectional view of Sample 2, which underwent oxidative heat treatment. Elemental analysis revealed an oxide layer of less than several microns, primarily composed of Co oxide, on the outermost surface. Beneath this, a 10-15 micron-thick quasi-oxide layer, primarily composed of Er x Co y O z , was observed. Figure 16 shows a cross-sectional view of Sample 3, which underwent oxidative heat treatment followed by vacuum heat treatment. Elemental analysis revealed an oxide layer of less than several microns, primarily composed of Co oxide, on the outermost surface. Below this, a 20-30 micron thick sub-oxide layer consisting mainly of Er x Co y O 2 was observed.
(酸化物層)
本発明の実施例において、図15及び図16について述べたように、表面及び表層の酸化物層は断面観察から容易に観察できる。例えば、図14について述べたように、断面を電子銃等で走査して元素の強度を連続的に測定すれば、その元素の濃度変化を把握することができる。このとき、走査速度を一定にすれば、時間と走査距離が比例し、検出濃度の経時変化を距離変化として把握できる。例えば、Er、Co、O等の元素について調べることができる。例えば、酸素(O)の検出濃度は、粒の内部において低くほぼ一定であるところ、表面に向かうに従って、検出濃度が急に高くなり、ある程度一定の値になる後、表面で急激に低下することが生じ得る。この検出濃度が急に高くなるところからある程度一定の値になるところの中間点を酸化物層の境界として把握することができる。これにより、表面からこの境界までの距離を酸化物層の厚みとすることもできる。一般には、観察視野を複数設け、それぞれに酸化物層の厚みを少なくとも10か所測定し、算術平均することにより、この試料の粒の表層の酸化物層の厚みとすることもできる。
(oxide layer)
In the examples of the present invention, as described with reference to FIGS. 15 and 16 , the surface and surface oxide layer can be easily observed by cross-sectional observation. For example, as described with reference to FIG. 14 , by scanning the cross-section with an electron gun or the like and continuously measuring the intensity of an element, the change in the concentration of that element can be determined. In this case, if the scanning speed is constant, the time is proportional to the scanning distance, and the change in the detected concentration over time can be determined as a change in distance. For example, elements such as Er, Co, and O can be investigated. For example, the detected concentration of oxygen (O) may be low and nearly constant inside the grain, but may suddenly increase toward the surface, reach a certain constant value, and then suddenly decrease at the surface. The midpoint between the point where the detected concentration suddenly increases and reaches a certain constant value can be determined as the boundary of the oxide layer. The distance from the surface to this boundary can then be used to determine the thickness of the oxide layer. Generally, multiple observation fields are set up, and the oxide layer thickness is measured at at least 10 locations in each field, and the arithmetic average is then used to determine the thickness of the oxide layer on the surface of the sample grain.
ここで、粒を球近似したときの半径をRとし、酸化物層の厚みをLとすれば、粒の体積は、4/3πR3であり、酸化物層の体積は、4/3π{R3-(R-L)3}であるので、体積比が3/4以下であるとすると、L≦(1-0.25(1/3))Rとなる。L≧10nmを満たすのは、R≧27nmであるかもしれない。Lの最大値は、Rの増大と共に大きくなるので、Lの実質的な最大値は、(1-0.25(1/3))Rとしてもよいかもしれない。尚、一般に、浸透量は、いわゆるバリア層の厚みに相当する透過する距離に反比例すると考えられるので、酸化物層の体積が粒全体の体積の3/4以下であれば、その厚みはRが増加するに伴って10nm以上、100nm以上、1000nm以上としてもよい。一方、磁気特性の悪化を考慮すれば、酸化物層の厚みは、所望の水素バリア効果が得られる範囲内で可能な限り薄い方が好ましいが、薄すぎると水素バリア能が低下し、10nm以下では効果が低い。 Here, if the radius of a particle when approximated as a sphere is R and the thickness of the oxide layer is L, the volume of the particle is 4/3πR 3 and the volume of the oxide layer is 4/3π{R 3 - (R - L) 3 }, and if the volume ratio is 3/4 or less, then L≦(1-0.25 (1/3) )R. R≧27 nm may satisfy L≧10 nm. Since the maximum value of L increases with increasing R, the substantial maximum value of L may be (1-0.25 (1/3) )R. In general, the penetration amount is considered to be inversely proportional to the penetration distance, which corresponds to the thickness of the so-called barrier layer. Therefore, if the volume of the oxide layer is 3/4 or less of the volume of the entire particle, its thickness may be 10 nm or more, 100 nm or more, or 1000 nm or more as R increases. On the other hand, in consideration of the deterioration of magnetic properties, it is preferable that the thickness of the oxide layer is as thin as possible within a range in which the desired hydrogen barrier effect can be obtained, but if it is too thin, the hydrogen barrier function decreases, and if it is 10 nm or less, the effect is low.
図17は、磁気冷凍装置の主要部を示す模式図である。上述する実施例の材料を含む磁気冷凍材料を用いることができる。この磁気冷凍材料の1つの形態としては、50μm以上1000μm以下の範囲の粒子径を有する粒子であってもよい。例えば、球形近似で、50μm以上、100μm以上、200μm以上としてもよく、2000μm以下、1000μm以下、500μm以下の径を有する粒子状であってもよい。また、これらの下限及び上限を適宜組み合わせて、所定の範囲としてもよい。粒子形態を採るとAMRベッドへの充填率を高めることができ、粒子径により熱輸送冷媒との熱交換断面積や圧力損失を変化させることができる。粒子径が小さくなるほど熱交換断面積は大きくなり、この観点では冷凍性能向上に有効であるが、一方で、粒子径が小さくなるほど圧力損失が上昇して冷凍性能を低下させる。実際の圧力損失の大きさは、粒子径のみならず熱輸送冷媒の種類や運転条件にも依存する。ここで、粒径は、体積基準のメディアン径(d50)とし、体積基準の平均粒径の測定は、例えば、マイクロトラックやレーザ散乱法によって測定できる。より具体的には、静的画像解析法及び動的画像解析法が採用され得る。前者は、多数の粒子画像(SEM像など)を撮影し、画像解析ソフトを用いて各粒子の面積から、円形に換算した粒子径を求めることができる。このような磁気冷凍材料を備えた磁気冷凍装置200は、超低温の生成、例えば水素の液化に用いることができる。磁気冷凍装置200は、磁気冷凍材料210が充填されたAMRベッド220と、これに磁場を印加する磁場印加手段230と、冷温により被冷却物を冷却する冷却ステージ290と、AMRベッド220における磁気冷凍仕事により発生した温熱を排熱する熱交換器240とを更に備える。 Figure 17 is a schematic diagram showing the main components of a magnetic refrigeration device. Magnetic refrigeration materials, including those described in the above-described embodiments, can be used. One form of this magnetic refrigeration material is particles with a particle diameter ranging from 50 μm to 1000 μm. For example, the particles may be spherically approximating particles with diameters of 50 μm to 100 μm, 200 μm to 2000 μm, 1000 μm to 500 μm. These upper and lower limits may also be appropriately combined to create a specified range. The particle form can increase the filling rate of the AMR bed, and the particle size can change the heat exchange cross-sectional area and pressure loss with the heat transport refrigerant. Smaller particle sizes increase the heat exchange cross-sectional area, which is effective in improving refrigeration performance. However, smaller particle sizes also increase pressure loss, resulting in reduced refrigeration performance. The actual pressure loss depends not only on the particle size but also on the type of heat transport refrigerant and operating conditions. Here, particle size refers to the volume-based median diameter (d50), and the volume-based average particle size can be measured, for example, using a microtrack or laser scattering method. More specifically, static image analysis and dynamic image analysis can be used. The former involves taking multiple particle images (e.g., SEM images) and using image analysis software to determine the particle diameter, converted into a circular shape, from the area of each particle. A magnetic refrigeration device 200 equipped with such a magnetic refrigeration material can be used to generate ultra-low temperatures, such as hydrogen liquefaction. The magnetic refrigeration device 200 further includes an AMR bed 220 filled with magnetic refrigeration material 210, a magnetic field application means 230 that applies a magnetic field to the bed, a cooling stage 290 that cools the object to be cooled by cold, and a heat exchanger 240 that dissipates heat generated by the magnetic refrigeration work in the AMR bed 220.
磁場印加手段230は、AMRベッド220に磁場を印加する任意の手段を適用でき、例えば、1~10T(テスラ)程度の強度の磁場を用いることが現実的である。磁場印加手段230として、超伝導マグネット、永久磁石等を採用できる。また、図示しない駆動機構によって、磁場印加手段230とAMRベッド220との相対位置を変化させて、AMRベッド220に印加される磁場の大きさを変化させることができる。 The magnetic field application means 230 can be any means for applying a magnetic field to the AMR bed 220; for example, it is practical to use a magnetic field with a strength of approximately 1 to 10 T (tesla). The magnetic field application means 230 can be a superconducting magnet, a permanent magnet, or the like. Furthermore, the relative positions of the magnetic field application means 230 and the AMR bed 220 can be changed using a drive mechanism (not shown), thereby changing the magnitude of the magnetic field applied to the AMR bed 220.
AMRベッド220の高温側には予冷段260が設けられ、予冷段260の低温側には80Kシールド270が、予冷段260の高温側には300Kシールド280がそれぞれ接続して具備されている。更に、AMRベッド220の低温側には、冷却ステージ290が設けられ、液化容器250が冷却ステージ290と熱的に接続して具備されている。つまり、液化容器250には被冷却物となる気体が供給され液化される。また、AMRベッド220には熱輸送冷媒の流出入口が設けられ、磁気冷凍材料210の間隙を通って熱輸送冷媒がAMRベッド220の内部を往復流動できる構造となっている。 A pre-cooling stage 260 is provided on the high-temperature side of the AMR bed 220, with an 80K shield 270 connected to the low-temperature side of the pre-cooling stage 260 and a 300K shield 280 connected to the high-temperature side of the pre-cooling stage 260. Furthermore, a cooling stage 290 is provided on the low-temperature side of the AMR bed 220, with a liquefaction vessel 250 thermally connected to the cooling stage 290. In other words, gas to be cooled is supplied to the liquefaction vessel 250 and liquefied. The AMR bed 220 also has inlet and outlet ports for the heat transport refrigerant, allowing the heat transport refrigerant to flow back and forth within the AMR bed 220 through the gaps in the magnetic refrigeration material 210.
液化容器250には、液化させるべき気体310(例えば、水素、ヘリウム(He)等)が、図示しないタンクより供給される。磁気冷凍装置200は、以下のようにして動作してもよい。磁気冷凍材料210が充填されたAMRベッド220に、磁場印加手段230により磁場を印加し、磁気冷凍材料210の温度を上昇させる。次いで、AMRベッド220の低温端側から高温端側に向かう方向300Aに熱輸送冷媒を流動させる。熱輸送冷媒はAMRベッド220の内部に充填された磁気冷凍材料210と熱交換して温熱を受け取りながら、磁気冷凍材料210の隙間を縫って流動し、AMRベッド220の高温端部より流出する。AMRベッド220の高温端部より流出した熱輸送冷媒は予冷段260を介して温熱を排熱する熱交換器240に流入し、余分な熱が外部へ排熱される。次いで、磁気冷凍材料210が充填された磁場を取り除き(減少させて)、磁気冷凍材料210の温度を降下させる。 The liquefaction vessel 250 is supplied with the gas 310 to be liquefied (e.g., hydrogen, helium (He), etc.) from a tank (not shown). The magnetic refrigeration device 200 may operate as follows: A magnetic field is applied to the AMR bed 220 filled with the magnetic refrigeration material 210 by the magnetic field application means 230, raising the temperature of the magnetic refrigeration material 210. Next, the heat transport refrigerant is caused to flow in a direction 300A from the low-temperature end to the high-temperature end of the AMR bed 220. The heat transport refrigerant exchanges heat with the magnetic refrigeration material 210 filled inside the AMR bed 220, receiving warmth, while flowing through the gaps in the magnetic refrigeration material 210 and flowing out from the high-temperature end of the AMR bed 220. The heat transport refrigerant flowing out from the high-temperature end of the AMR bed 220 flows through the pre-cooling stage 260 into the heat exchanger 240, which releases the warmth, and excess heat is released to the outside. Next, the magnetic field in which the magnetic refrigeration material 210 is filled is removed (reduced), causing the temperature of the magnetic refrigeration material 210 to drop.
そして、AMRベッド220の高温端側から低温端側に向かう方向300Bに熱輸送冷媒を流動させる。熱輸送冷媒は予冷段260を介してAMRベッド220の高温端部に流入し、内部に充填された磁気冷凍材料210と熱交換して冷却されながら、磁気冷凍材料210の隙間を縫って流動し、AMRベッド220の低温端部に到達する。尚、熱輸送冷媒の流動は図示しない冷媒駆動手段によって駆動される。冷媒駆動手段は熱輸送冷媒をAMRサイクルに同期して往復流動する振動流を駆動できれば特に限定されるものではなく、ピストン、ブロアとバルブを組み合わせる方式等が挙げられる。 The heat transport refrigerant is then caused to flow in direction 300B from the high-temperature end of the AMR bed 220 toward the low-temperature end. The heat transport refrigerant flows into the high-temperature end of the AMR bed 220 via the pre-cooling stage 260, and while being cooled by heat exchange with the magnetic refrigeration material 210 filled inside, flows through the gaps in the magnetic refrigeration material 210 and reaches the low-temperature end of the AMR bed 220. The flow of the heat transport refrigerant is driven by a refrigerant driving means (not shown). The refrigerant driving means is not particularly limited as long as it can drive an oscillating flow that causes the heat transport refrigerant to flow back and forth in synchronization with the AMR cycle, and examples include a system that combines a piston, a blower and a valve.
AMRベッド220の低温端部の温度が液体水素の沸点(大気圧にて20K)よりも低下すると、液化容器250に供給される水素ガスは、AMRベッド220の低温端側に設けられた冷却ステージ290との熱交換により冷却され、濃縮液化する。このような工程を繰り返し、液化容器250の内部ではガスを周期的に液化ないし冷却する。 When the temperature of the low-temperature end of the AMR bed 220 drops below the boiling point of liquid hydrogen (20 K at atmospheric pressure), the hydrogen gas supplied to the liquefaction vessel 250 is cooled and concentrated/liquefied by heat exchange with the cooling stage 290 installed on the low-temperature end side of the AMR bed 220. This process is repeated, and the gas inside the liquefaction vessel 250 is periodically liquefied or cooled.
本発明の実施例において、磁気冷凍材料は、水素化に対する耐性を備えるので、長期間の使用に耐えうる。このような磁気冷凍材料は、磁気冷凍装置に用いられ、水素の液化等に効果的に機能する。これによって、エネルギーキャリアの一つとして有望な水素の普及に、貢献することができる。 In the embodiments of the present invention, the magnetic refrigeration material is resistant to hydrogenation and can withstand long-term use. Such magnetic refrigeration materials are used in magnetic refrigeration devices and function effectively in hydrogen liquefaction, etc. This can contribute to the widespread use of hydrogen, which is a promising energy carrier.
200 磁気冷凍装置
220 AMRベッド
230 磁場印加手段
240 熱交換器
250 液化容器
260 予冷段
270 80Kシールド
280 300Kシールド
290 冷却ステージ
300A 熱輸送冷媒の移動方向
300B 熱輸送冷媒の移動方向
200 Magnetic refrigeration device 220 AMR bed 230 Magnetic field application means 240 Heat exchanger 250 Liquefaction vessel 260 Pre-cooling stage 270 80K shield 280 300K shield 290 Cooling stage 300A Movement direction of heat transport refrigerant 300B Movement direction of heat transport refrigerant
Claims (9)
Rは、少なくとも1種類以上の希土類元素であり、
Tは、Co、Ni、Al、及びFeからなる群から選択される少なくとも1種類以上の元素であり、
酸化物を含む表層の厚みが10nm以上であり、
形成された酸化物層の体積と全体の体積の比が3/4以下であることを特徴とする磁気冷凍材料。 is a Laves phase compound represented by RT 2 ,
R is at least one rare earth element,
T is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Al, and Fe,
The thickness of the surface layer containing oxide is 10 nm or more,
A magnetic refrigeration material characterized in that the ratio of the volume of the formed oxide layer to the total volume is 3/4 or less.
Rは、少なくとも1種類以上の希土類元素であり、
Tは、Co、Ni、Al、及びFeからなる群から選択される少なくとも1種類以上の元素であり、
磁気冷凍材料を成形するステップと、
成形後の磁気冷凍材料を均質化処理するステップと、
均質化処理後の磁気冷凍材料を酸化処理するステップと、を含むことを特徴とする方法。 A method for improving the hydrogen resistance of a magnetic refrigeration material containing a Laves phase compound represented by RT 2 , comprising:
R is at least one rare earth element,
T is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Al, and Fe,
forming a magnetic refrigeration material;
a step of homogenizing the formed magnetic refrigeration material;
and a step of subjecting the magnetic refrigeration material after the homogenization treatment to an oxidation treatment.
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