室温域で動作するコンパクトで環境に優しく、エネルギー効率が高く、信頼性の高い冷蔵庫を作ることは、現在、非常に重要な課題となっています。 この課題は、既存の冷却システムに対する多くの重大なクレームによるものである。 現在使用されている冷蔵庫は、運転時にオゾン層破壊や地球温暖化などの深刻な環境問題を引き起こす作動ガス（冷媒）の漏洩が起こりうることが知られています。 冷却装置には様々な代替技術がありますが、その中でも磁気冷却の技術に世界中の研究者が注目しています。 
磁気冷凍機は、環境に優しく、消費電力を大幅に削減できる装置です。 これは、人間が活動する様々な分野で膨大な数の冷凍機が使用されていることを考えると、非常に重要なことです。 磁気冷却技術は、磁性体が磁場の影響を受けて温度とエントロピーを変化させる能力に基づいている。 この能力は、従来の冷凍機でガスや蒸気を圧縮したり膨張させたりするときに発揮される。 磁場の強さの変化による磁性体の温度やエントロピーの変化を磁気熱量効果（magnetocaloric effect、以下MCE）と呼ぶ。
磁性体の温度変化は、その原子の磁気モーメントの系と結晶格子の間で磁性体の内部エネルギーが再分配された結果であると考えられる。 MCEの最大値は、磁気相転移の温度（磁気秩序の温度-キュリー、ニールなど）に位置する強磁性体、反強磁性体などの磁気秩序化した物質で得られます。
磁気冷却のための装置の主な利点は、蒸気または気体の密度と比較して、熱伝達物質の高密度-固体-に関連している。 固体磁性体の単位体積当たりのエントロピーの変化は、気体の7倍である。 このため、冷蔵庫をよりコンパクトに設計することが可能になる。 また、磁性体の作動媒体自体が、従来のコンバインドサイクル冷凍機で使われていた冷媒のアナロジーとなる。 また、消磁-着磁のプロセスは、圧縮-膨張サイクルに類似している。 冷凍機の効率は、主にサイクル中に行われる不可逆的な仕事の量によって決定され、効果的な装置のためには、それは可能な限り低くなければならない。 ガス加熱式冷蔵庫では、再生機、圧縮機、熱交換器など、不可逆的な仕事を大量に発生させる装置がある。
不可逆的な仕事の多くは、熱交換器で行われる。 それは作動流体の温度の断熱的変化に正比例する。 それは磁性体より気体の方がはるかに大きい。 このため、最も効率的な放熱は磁性体で行われ、特に回生型の冷凍サイクルでは、磁性体で行われる。 熱交換器の特別な設計と大きな表面積を持つ再生器の使用により、磁気冷却中の不可逆的な仕事の小さな部分を実現することが可能である。 4.5～300 0Kの温度範囲における磁気再生冷却サイクルの有効性は、カルノーサイクルの38～60％（20～150 0Kの温度範囲では約52％、150～300 0Kの範囲では約85％）にすることができます。 これにより、サイクルのすべての段階において、熱伝達条件は今日知られている中で最も優れたものになる。 さらに、磁気冷凍機は可動部品が少なく、低周波で動作するため、冷凍機の摩耗を最小限に抑え、動作時間を長くすることができます。 磁気冷却の基本原理
- Warburg がMCEを発見したのは比較的古く、1881年のことである。 彼は磁場の作用で、鉄の試料が加熱されたり、冷却されたりする様子を観察した。 しかし、この現象が実用化されるのは、まだ先のことであった。 常磁性体の磁化が変化すると試料の温度が可逆的に変化することを最初に示したのはLangevin（1905年）である。 磁場冷却自体は、MCE の発見から約 50 年後に、 Peter Debye（1926）と William Giauque（1927）の 2 人の米国人科学者が、液体ヘリウム沸点以下の温度 を達成する方法として、互いに独立に提案したものである。 1933年にJiokとMcDougallが磁気冷凍の最も簡単な実験を初めて行った。 その少し後に、デ・ハース（1933年）、クルティ（1934年）でも行われた。 この実験の過程で、0.25 0Kの温度に到達することができた。 また、熱を伝える物質として、揚水した液体ヘリウムを1.5 0Kの温度で使用した。
磁性塩を入れた錠剤は、ソレノイドに強い磁界がかかった状態で、放熱材と熱平衡状態になっていた。 ソレノイドが放電するたびに、磁性体ピルは熱的に絶縁され、温度が低下した。 このような技術は、断熱消磁による冷却と呼ばれ、超低温を得るための実験室での標準的な技術である。 しかし、このような冷凍機の容量や使用温度範囲は、工業的な応用には小さすぎる。 前世紀の60年代には、熱再生や磁場の周期的な変化を利用した、より複雑な方法が提案された。 1976年、NASAのJ.Brownが再生型磁気冷凍機を完成させ、すでに室温の範囲で500Kの動作温度範囲を実現した。 しかし、この場合、流体ヒートシンクを混合して温度勾配を維持する必要があり、磁石の充放電に時間がかかりすぎるため、冷凍機の出力と効率はまだ低いものであった。
80年代から90年代にかけて、いくつかの研究センターで小型の低電力冷凍装置が作られた。 ロスアラモス国立研究所、アナポリスの海軍研究所、オークリッジ国立研究所、アストロノーティクス（すべて米国）、東芝（日本）です。 現在では、NASAのいくつかの研究センターが、断熱消磁の原理を応用した宇宙用小型磁気冷凍機の研究に資金を提供しています。 また、Astronautics Corporation of America（米国、ウィスコンシン州）、University of Victoria（カナダ）では、磁気冷凍機の商業利用の可能性について研究を行っている。 応用面では、エイムズ研究所（アイオワ州エイムズ）、スリーリバーズ大学（カナダ・ケベック）、NIST（メリーランド州ゲイサーズバーグ）、アドバンストマグネティックテクノロジー＆コンサルティング（AMT&C）が、磁気冷凍機の作動固体材料に関する研究を集中的に行っている。
1997年に「Astronautics Corporation of America」が室温付近で動作する比較的強力な（600W）磁気冷凍機を実証した。 この冷凍機の効率はすでに従来のフロン冷凍機の効率に匹敵するものであった。 この装置は、アクティブ磁気再生器（熱再生器と作動媒体の機能が一体となったもの）を使用し、室温域で600ワットの電力で1500時間以上作動した。 磁場5テスラでカルノーサイクルに対して約35％の効率を示した。 この装置では、超電導ソレノイドとして、作動固体体として、ガドリニウム（Gd）の希土類金属が使用された。 これは、ガドリニウムの磁気特性、すなわち適切なキュリー温度（約293 0K）と重要な磁気熱量効果の存在に起因している。 MCEの大きさ、つまり磁気冷凍機における冷却プロセスの効率は、磁気作動体の特性によって決まる。
1997年、エイムズ研究所はGd5（Si2Ge1-X）化合物に4つの巨大な磁気熱量効果を発見したことを報告した。 これらの物質の磁気秩序温度は、シリコン（Si）とゲルマニウム（Ge）の比率を変えることにより、20 0Kから室温までの広い範囲で変化させることが可能である。 現在、実用固体として最も有望視されているのは、ガドリニウム金属、希土類元素をベースにした多くの金属間化合物、シリサイド-ゲルマニウム化合物系Gd5（Ge-Si）4、さらにLa（Fe-Si）13である。 これらの材料を使用することで、冷蔵庫の使用温度範囲を広げ、経済性を大幅に向上させることができる。 なお、固体磁気冷凍機に有効な合金の探索は、数年前にモスクワ大学物理学科で先駆的に行われている。 これらの研究者の最も完全な成果は、モスクワ大学物理学部の主要な研究員であるA.M.ティシナの1994年の博士論文に記載されている。
この研究の過程で、異なる温度範囲での磁気冷却の実現に最適な合金を探すという観点から、希土類金属と磁性金属などの組み合わせの可能性が数多く分析されている。 その結果、高い磁気熱量特性を持つ材料の中で、Fe49Rh51（鉄ロジウム合金）が最も大きな比磁力（単位磁場あたりの磁気熱量）を持つことがわかった。 この化合物の比磁力は、シリサイド-ゲルマニド化合物の数倍である。 この合金は高価であることと、大きなヒステリシス効果がないため、実際には使用できない。 しかし、研究中の材料の磁気熱量特性を比較するための一種の基準として役立てることができる。 ようやく、Science News (v.161, n.1, p.4, 2002) に、世界初の冷蔵庫（科学用だけでなく、家庭用にも応用可能）が開発されたことが報告された。 この冷蔵庫は、米国アストロノーティクス社とエイムズ研究所が共同で製作し、2002年5月にデトロイトで開催されたG8会議で初めてデモンストレーションが行われた。 この家庭用磁気冷蔵庫は、永久磁石を磁場源とし、常温で作動する。 この装置は、専門家や米国エネルギー省長官から高い評価を得ている。 磁気冷蔵庫の使用により、米国の総エネルギー消費量が5％削減されるという試算もあります。 磁気冷却は、- 水素液化器、
- 高速コンピュータ用冷却装置およびSQUIDを用いた装置、
- 住宅および産業用エアコン、
- 自動車用冷却装置、
- 家庭および産業用冷蔵庫など人間の活動のさまざまな分野で使用できるよう計画されている。
なお、磁気冷凍機の研究は、すでに20年間、米国エネルギー省の資金援助を受けています。
冷蔵庫の構造
試作された磁気冷蔵庫では、回転輪の構造配置が使用されています。 ガドリニウムの粉末を入れたホイールと強力な永久磁石で構成されている。 ガドリニウムを使ったセグメントがガドリニウムの磁場に入ると、磁気熱量効果が発生し、発熱するのです。 この熱は水冷式熱交換器によって取り除かれます。 ガドリニウムが磁場帯から離れると、逆の符号の磁気熱量効果が生じ、材料はさらに冷却され、そこに循環する第2の水流で熱交換器が冷却される。 この水流は、実は磁気冷凍機の冷却室の凍結に利用されている。 このような装置はコンパクトで、ほとんど騒音も振動もなく作動するので、現在使われている蒸気-ガスサイクルを用いた冷蔵庫とは区別される。 この技術は2001年9月に初めて認可された。 純ガドリニウムとその化合物の商業生産の技術プロセスを改善し、より低コストでMCEの価値を高めることができるようになります。 同時に、エイムズ研究所のスタッフは、強力な磁場を発生させることができる永久磁石を製作しました。 この新しい磁石は、前回（2001年）建設した磁気冷凍機の磁石の2倍の強さの磁場を発生させることができます。 磁場の大きさは、冷凍機の効率や出力などのパラメータを決定するため、非常に重要な要素です。 なお、作動物質Gd5(Si2Ge2)の化合物の調製と永久磁石の構造については特許出願中である。
Advantages, Disadvantages and Applications
すべての磁気冷凍機は、使用する磁石の種類によって、
- 超伝導磁石を用いたシステム、
- 永久磁石を用いたシステムの2つに分類される。 例えば、大型施設の空調設備や食品貯蔵設備に使用することができる。 永久磁石式冷却装置は、使用温度範囲が比較的狭く（1サイクル303℃以下）、原理的には平均出力（100W以下）の機器に使用することが可能である。 例えば、車のクーラーやポータブルピクニック冷蔵庫としてです。 しかし、どちらも従来のコンバインドサイクル冷凍システムと比較して、多くの利点があります：
- 環境負荷が低い。 作動体が固体であるため、環境から容易に隔離することができる。 作動体として使用されるランタノイド金属は毒性が低く、装置を廃棄した後も再利用が可能である。 排熱媒体は粘度が低く、熱伝導率が十分であればよく、水、ヘリウム、空気などの性質によく対応する。
- 高い効率性。 磁気加熱と磁気冷却は、コンバインドサイクル冷凍機の作動サイクルにおける蒸気圧縮のプロセスとは対照的に、実質的に可逆的な熱力学的プロセスです。 特に、室温の分野では、磁気冷凍機はガス-蒸気サイクルで動作するものよりも潜在的に20〜30％高い効率であることが理論計算と実験的研究で示されています。 将来的には磁気冷却の技術は非常に効果的であることができ、そのようなインストールのコストを大幅に削減します。
- 長い耐用年数。 この技術では、冷却装置に少数の可動部品と少数の動作周波数を使用するため、その消耗が大幅に減少します。
- 技術の柔軟性について。 目的に応じて磁気冷蔵庫の設計を使い分けることが可能です。
- 冷凍の有用な特性。 磁気テクノロジーは、さまざまな物質（水、空気、化学物質）をその都度マイナーチェンジしながら冷却・冷凍することができます。 対照的に、効率的な複合サイクル冷却サイクルは、同じ手順のために多くの分離された段階または異なる作業冷却剤の混合物を必要とする。
- 超伝導の開発と永久磁石の磁気特性の改善における急速な進歩は、。 現在、実に多くの有名な営利企業が、NdFeB磁石（最も効率の良い永久磁石）の特性改善に成功し、その構造について研究している。 超電導の進歩とともに、磁気冷凍庫の品質向上と低価格化が期待できる。