2019 Fiscal Year Annual Research Report
Research for magnetic refrigeration cycle for hydrogen liquefaction
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17H03534
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
松本 宏一 金沢大学, 数物科学系, 教授 (10219496)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
沼澤 健則 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, NIMS特別研究員 (30354319)
阿部 聡 金沢大学, 数物科学系, 教授 (60251914)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 水素 / エネルギー効率化 / 熱工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、冷凍システムを抜本的に改良し、エネルギー効率の極めて高い水素の液化や保持技術の実証・確立を目的としている。1.新たな冷凍サイクル試験装置の構築 2.水素磁気冷凍用の新規磁性材料の開発と磁性体の水素化に対する検討を行った。
1.冷凍試験システムの構築:本年度は昨年度に引き続き磁気冷凍サイクル実証のための試験冷凍システムの構築と試験を行った。ソレノイド型マグネットとAMRの往復動による磁場変化を基本構成とし、熱交換媒体はヘリウム外部圧縮機を利用してガスの流量調整範囲を大きくした。ベローを用いた軸シール等を用いた新方式が十分な断熱性を持ち、円滑な稼働が可能なことを確認した。熱交換流体の制御機構を作成し、コンピュータコントロールの電磁弁による流体制御機構の運転を確認した。AMRサイクルの動作確認ができた。この試験から、熱交換流体の予冷熱交換器の性能不足が明らかになり、幾つかの熱交換器の設計を行い、蓄冷型熱交換器の製作に着手した。さらに、マグネットの磁場分布の最適化を行う補償コイルシステムの製作にも着手した。これらの研究成果は国際会議の招待講演で発表した。
2.新規磁性材料の開発、実用磁性体の特性評価:水素磁気冷凍用磁性材料として、水素と直接触れても化学反応を起こさない希土類酸化物ガーネットや大きな磁気熱量効果が得られる希土類金属間化合物を中心に磁気熱量効果を評価し、有望な材料を開発してきた。今年度は昨年度にロシア カザン連邦大学と開発した希土類チタン酸の磁性体の磁気熱量効果について論文発表した。また、金属間化合物の磁性材料については実用的観点から磁場中での熱伝導特性や熱膨張磁歪特性を明らかにし、国際会議で発表するとともに、論文投稿した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、新たな冷凍サイクル試験装置の構築と水素磁気冷凍用の磁性材料の特性評価を行った。
冷凍試験システムの構築に関しては、計画を変更して物質・材料研究機構に既設のマグネットを利用する計画として、研究を進めてきた。このため、システムの設計に大きな変更が必要になったが、様々な検討を行い、十分試験を実施可能なシステ ムの構築を行った。熱交換流体の制御機構の構築まで終了し性能試験を行った。さらに、冷凍試験を開始した。また、マグネットシステムの改良についても実施できる方策が立てられた。従って、おおむね順調に進展している。
新規磁性材料の開発、実用磁性体の特性評価:水素磁気冷凍用磁性材料として、水素と直接触れても化学反応を起こさない希土類酸化物ガーネットや大きな磁気熱量効果が得られる希土類金属間化合物を中心に磁気熱量効果を評価し、有望な材料を開発してきた。今年度は昨年度にロシア カザン連邦大学と開発した希土類チタン酸の磁性体の磁気熱量効果について論文発表した。また、金属間化合物の磁性材料については実用的観点から磁場中での熱伝導特性や熱膨張磁歪特性を明らかにし、国際会議で発表するとともに、論文投稿した。金属間化合物の磁性材料については物質・材料研究機構と共同で実用的球状化材料の量産技術についての検討が進み、冷凍試験への準備が進められた。
これらのことから総合的に、おおむね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
構築した試験冷凍システムを用いて、蓄冷サイクルの実証試験を行う。磁性体については、これまでの研究や予備実験により、希土類の置換や非 磁性元素の置換 により磁気転移温度やエントロピー変化の制御が可能であると知見を得ている RT2(R:希土類Gd,Dy,Er,Ho T:Ni,Al)系の金属間化合物から試験を実施予定で、準備が概ね完了している。また、磁気熱特性を明らかにし大きな磁気熱量効果が期待されている一次相転移する磁性体RCo2系材料を用いて試験を行う。 マグネットシステムとして、ソレノイド型の欠点である漏れ磁場の問題を解決するために、物質・材料研究機構で補償コイルを持つマグネットシステムを導入したので、これを利用して冷凍試験装置の構築と試験を進めていく予定である。 これまでの我々の研究で金属間化合物の希土類元素置換等により主な磁気転移を水素磁気冷凍で求められる10K~150K程度の範囲で変化できること、逐次相転移を 利用する場合は二つの磁気転移の温度間隔を少なくとも10K程度で制御可能である結果を得ている。さらに、20Kから77Kまでのすべての温度範囲で大きなエントロ ピー変化を実現することが磁性体の特性上、困難であることが知られているため、単一の磁性材料での特性解明後は複数の磁性体の複合化、AMR内部の磁性体の多層化で特性向上を図る。
磁性材料の開発、特性評価としては、金属間化合物の実用材料と仕手の製作プロセスと特性解明、及び最適化に取り組む。 このような多段化や多層化した冷凍機の特性解明には、熱・磁場・磁性体を組み合わせた熱解析が重要であり、今年度は昨年度までに開発されたサイクルシミュレーションコードを改良し、解析にも取り組む。
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Research Products
(6 results)
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[Journal Article] Thermal expansion and thermal conductivity of RT2 (R: Gd, Dy, Er; T: Al, Ni) intermetallic compounds for magnetic refrigerator2020
Author(s)
Shota Watanabe, Shunsuke Komatsu, Kazumi Futatsuka, Naoya Kumazawa, Koichi Matsumoto, Koji Kamiya, Keiji Oyoshi, Hiroyuki Takeya and Takenori Numazawa
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Journal Title
journal of Physics: Conference Series
Volume: -
Pages: -
Peer Reviewed
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[Presentation] Thermal expansion and thermal conductivity of RT2 (R:Gd,Dy,Er; T:Al,Ni) intermetallic compounds for magnetic refrigerator2020
Author(s)
WATANABE Shota, KOMATSU Shunsuke, FUTATSUKA Kazumi, KUMAZAWA Naoya, MATSUMOTO Koichi (Kanazawa U.); KAMIYA Koji, OYOSHI Keiji, TAKEYA Hiroyuki, NUMAZAWA Takenori (NIMS)
Organizer
10th ACASC/2nd Asian-ICMC/CSSJ Joint Conference
Int'l Joint Research
