磁石は冷却効果も提供しますか?魔法のブラックテクノロジー冷凍技術！

パッとしない外見と、外側は熱く内側は冷たい心を持つエアコンは、夏の命を救うガジェットの紛れもない中心的存在です。

大量に汗をかいている場合、エアコンのコンプレッサーは作動し続け、少し涼しさを感じますが、同時に不快なブーンという音も発生します。

しかし、変化する磁場の下で静かに温度を下げることができる「魔法」のような冷凍技術があります。これが磁気冷凍です。

磁気冷凍技術はユニークで興味深い冷却方法です。効率的かつ環境に優しい冷却効果を提供し、多くの分野で大きな可能性を秘めています。今日は、磁気冷凍の謎を解き明かし、それがどのように機能するかを見てみましょう。

（写真提供：Material China）

パート1

磁気冷凍とは何ですか?

磁気冷凍は磁気熱量効果に基づいた冷凍技術です。磁性材料が外部磁場の影響を受けて温度を変化させ、それによって冷気が発生することは想像に難くありません。

では、どのような物質が磁気熱量効果を持つのでしょうか?

まず、磁性材料の基本的な特性を理解する必要があります。微視的な観点から見ると、磁性材料は通常、多数の小さな磁性粒子で構成されており、それぞれの粒子は内部に磁気モーメントを持ち、その磁気モーメントは電子のスピンおよび軌道角運動量によって決まります。これらの粒子間の配置には通常、強磁性、フェリ磁性、常磁性、反強磁性の 4 種類の磁性に対応する 4 つの状態があります。

著者による磁性材料の分類

磁性材料を外部磁場内に置くと、磁気モーメントは外部磁場に適応するように再配置されます。この再配置プロセスは磁気モーメント配向と呼ばれます。

常磁性材料は自発的な磁気モーメントを持つ材料であり、その磁気モーメントは常に印加磁場の方向に沿って向きます。外部磁場がない場合、外部に対して常磁性を示します。外部磁場の作用により、磁気モーメントが外部磁場に沿って整然と並び、外部に対して強磁性を示す。

外部磁場に加えて、温度によっても磁気モーメントが再配置されることがあります。ほとんどの磁性材料は、ある温度点以下では強磁性またはフェリ磁性であり、この温度点以上では常磁性です。上記の温度点はキュリー温度(Tc) であり、磁気転移点とも呼ばれます。キュリー温度は磁性材料が機能できる温度範囲を決定します。磁性材料によってキュリー温度が異なるため、磁気冷凍技術は室温から極低温までさまざまな用途で広く使用されています。

磁気熱量効果はどのように起こるのでしょうか?磁気モーメントの方向と熱効果の関係は何ですか?それらの間にはどのような科学的原理が含まれているのでしょうか?実際、磁気モーメントの配置は私たちの部屋のようなものです。定期的に掃除しないと、どんどん散らかってしまいます。物理学では、システム内の混沌の度合いを測定するために使用されるエントロピーと呼ばれる物理量があります。孤立したシステムの場合、カオスの度合いが高くなるほどエントロピーも高くなり、逆もまた同様です。

エントロピーとカオスの度合い、出典: Qianku.com

磁性材料のエントロピーには、磁気エントロピーと熱エントロピーという 2 つの主な種類があります。磁気エントロピーとは、磁気モーメントの秩序だった無秩序さを指します。熱エントロピーとは、物質を構成する分子や原子の振動モードを指します。振動モードが強くなるほど、熱エントロピーは大きくなります。これら 2 つのエントロピーの合計が磁性材料の全エントロピーとなります。総エントロピーが変化すると、磁気エントロピーまたは熱エントロピーの変化、あるいはその両方が変化する可能性があります。総エントロピーが変化しないとき、必ずしも磁気エントロピーと熱エントロピーの両方が変化しないわけではなく、一方が増加し、他方が減少する可能性がある。

磁気熱量効果は、磁気エントロピーと熱エントロピーの増加と減少を通じて実現されます。総エントロピーを一定に保つためには、磁気熱量物質を断熱環境に置く必要があります。断熱環境とは、システム全体と外界との間で熱交換がなく、熱が出入りできない環境を意味します。このとき、磁性体に外部磁場を加えると、磁気モーメントが整然と並び、磁気エントロピーが減少し、熱エントロピーが増加して熱を放出します。逆に、磁場が除去されると、熱エントロピーが減少し、熱を吸収する必要が生じ、冷却効果が生じます。磁気冷凍は神秘的に聞こえるが、一方が得をし、他方が損をする「シーソーゲーム」に他ならない。

著者による磁気熱量効果の原理

磁気冷凍の基本原理は単純ですが、この原理をさまざまな分野に役立つ装置に設計するには、独創的なアイデアが必要です。

磁気冷凍プロセスを実現するためには、磁性材料、磁場源、熱交換器などのコンポーネントが必要です。

まず、断熱環境では、外部磁場を加えると磁性材料の磁気モーメントの向きが変化し、熱が放出されます。この熱は熱交換器を通じてラジエーターから排出されます。磁場が除去されると、磁性材料の温度は低下します。磁性体の温度は冷却対象物に比べて低いため、磁性体が冷却対象物から熱を吸収し、温度が低下します。このサイクルが繰り返され、熱の流れの閉ループが形成されます。この繰り返しサイクルにより、冷却対象物の熱が継続的に吸収され、冷却効果が得られます。

著者が作成した磁気冷凍システムの概略図

パート2

高効率で省エネな磁気冷凍

実際の用途では、磁気冷凍には多くの独自の利点があります。

1) 環境に優しい。磁気冷凍では環境に有害な化学物質を使用する必要がないため、従来のコンプレッサー冷凍方法とは大きく異なります。従来の方法では、熱を吸収したり放出したりするために冷媒を使用する必要があります。これらの冷媒には、オゾン層を破壊したり、有毒であったり、漏れやすい、可燃性、爆発性があるなどの欠点を持つ有機フッ化物、アンモニア、炭化水素が含まれています。

2) 高効率で省エネ。磁気冷凍システムは、従来のようにガスを機械的に圧縮するのではなく、磁場の変化によって冷却を実現します。これは、磁気冷凍が非常に低い温度で動作し、より少ないエネルギーを消費できることを意味します。磁気冷凍の理論効率はカルノーサイクル効率の 60 ～ 70% に達する可能性がありますが、ガス圧縮冷凍では通常 20 ～ 40% です。つまり、他の条件が同じであれば、磁気冷凍の消費電力は従来の圧縮冷凍冷蔵庫の約 50% にすぎません。

3) 安定性と信頼性。磁気冷凍はガスコンプレッサーを必要とせず、可動部品が少なく、振動や騒音がなく、信頼性が高く、寿命が長く、メンテナンスが容易です。

磁気冷凍技術が航空宇宙、医療、電子工学などの分野で広く利用されているのは、まさにこうした利点があるからです。磁気冷凍は、応用温度帯によって、主に超低温帯（<1 K、量子コンピューティングなど）、低温帯（核磁気共鳴イメージング、ガス液化など）、常温帯（エアコン、冷蔵庫など）で使用されます。

著者による磁気冷凍の応用

現在、わが国の冷凍空調産業の総工業生産額は1兆元を超え、冷凍の電力消費量は国の総電力消費量の15％を超えており、当然の大規模エネルギー消費国となっている。現在広く使用されている冷媒のほとんどは大きな温室効果があり、冷媒の漏洩による排出は我が国の温室効果ガスの重要な構成要素となっています。現在、冷凍空調業界は「グリーンで効率的な冷凍行動計画」を実施し、地球規模の気候変動に対応する重要な時期にあります。磁気冷凍は、ゼロカーボンエネルギー冷凍技術として、グリーンで環境に優しく、高効率、省エネ、安定性、信頼性に優れているため、常温蒸気圧縮冷凍技術の有望な代替手段となっています。

冷凍空調業界の電力消費予測と各分野の節電率。出典: 2022年グリーン冷凍産業調査レポート

パート3

なぜ磁気冷凍はまだ商品化されていないのでしょうか?

現在、国内外の多くの科学研究機関や大手企業が、さまざまな温度帯での磁気冷凍のプロトタイプの展示に急いでいます。たとえば、2015年にハイアールとエアロスペース・コーポレーションは、ラスベガスで開催されたコンシューマー・エレクトロニクス・ショーで世界初の常温磁気冷凍ワインキャビネットを共同で展示しました。中国科学院北京理工大学/物理化学研究所の沈軍教授のチームは、2012年から全温度帯磁気冷凍技術の研究を行っています。

宇宙探査などの最先端の科学応用に対する需要が高まる中、超低温断熱消磁冷凍は、重力からの独立性、コンパクトな構造、高い冷凍効率などの利点により、宇宙探査、量子技術、凝縮物質物理学などの最先端科学における重要な技術となっています。

沈軍教授の研究チームは、独立かつ制御可能な断熱消磁プロトタイプの開発を行い、カスケードADR（断熱消磁冷凍）を構築し、50mK以下の最低温度を達成しました。

低温磁気冷凍は比較的遅れて始まり、現在は磁気熱量材料の組成によって磁気熱量特性を制御する研究に重点が置かれており、全体的なプロセスやアーキテクチャに関する研究は比較的少ないです。磁気熱量材料の断熱温度変化には限界があるため、磁気冷凍は通常、液体ヘリウム温度範囲で他の冷凍技術と組み合わせて複合低温磁気冷凍機を構築します。常温磁気冷凍技術は比較的成熟した発展を遂げています。 2017年以来、沈軍の研究チームは、産業で使用できる100ワットクラスの磁気冷凍プロトタイプを含む、高い冷却能力を備えた一連の常温プロトタイプを開発してきました。

2015 CES でのハイアールのコンプレッサー不要のワインキャビネット。画像出典: ハイアールスマートホーム公式アカウント

異なる温度帯の磁気冷凍機の物理的写真: 超低温断熱消磁冷凍機 (左)、液体ヘリウム温度帯複合磁気冷凍機 (中央)、多極室温磁気冷凍機 (右)

磁気冷凍装置はすでに多数存在しますが、現在は特定の産業分野や研究室でのみ使用されており、比較的高価です。これは、磁気冷凍技術が何千もの家庭に普及するにはまだいくつかの課題に直面していることを示しています。

磁気冷凍の応用に関する研究では、材料科学と工学、工学熱物理学、冷凍工学など、分野間の補完性と共同イノベーションが必要です。現在、磁気冷凍の商業化を妨げている主な理由は 2 つあります。

まず、磁気冷凍材料は希土類金属化合物であることが多く、生産コストが高く、高価です。希土類資源が豊富な中国でも、磁気冷凍機全体のコストを圧縮冷凍機と同等まで下げることは難しい。

第二に、現在の磁気回路設計では、冷却効果を確保しながら装置全体を家庭用サイズに小型化することが困難です。

また、磁気冷凍装置にはコンプレッサーはありませんが、実際の設計では永久磁石や磁性体の相対的な動きがあり、必然的にわずかな騒音や振動が発生します。

しかし、これらはすべて克服できる問題です。科学技術の継続的な進歩と科学研究スタッフの懸命な努力により、磁気冷凍技術はさらに開発され、応用され、将来的には冷凍分野における強力なツールになると信じるに足る理由があります。

著者: 北京理工大学研究員、北京冷凍学会若手会員、李振興

沈軍、北京理工大学教授、国家優秀青年、北京冷凍学会青年委員

蘇秀北京理工大学修士課程学生

出典: 北京冷凍協会