JP2005089740A - Magnetic refrigeration material and cold storage material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、希土類元素の窒化物、そのような窒化物を含む磁気冷凍材料(または磁気冷凍作業物質)、その磁気転移温度付近の大きな比熱を利用した蓄冷材料、更にそのような材料を用いる冷凍システムおよびそのようなシステムを有する水素液化プラントに関する。 The present invention relates to nitrides of rare earth elements, magnetic refrigeration materials (or magnetic refrigeration working materials) containing such nitrides, cold storage materials using large specific heat near the magnetic transition temperature, and refrigeration using such materials. The present invention relates to a system and a hydrogen liquefaction plant having such a system.
水素は、近未来社会の新エネルギーとして有用であり、その利用に際しては、社会的インフラ設備が必要である。水素を燃料として効率よく貯蔵・運搬するには水素の液化技術が必須である。そこで、液化に必要なエネルギー効率を、現在のアンモニアまたはフロンガスを使用する気体冷媒による冷却より大幅に改善することが望まれている。そのような改善に、磁気冷凍システムを用いることが提案されているが、そのシステムを有効ならしめるために、システムに使用できる最適な磁気冷凍材料を開発することが望まれている。 Hydrogen is useful as a new energy in the near future society, and social infrastructure facilities are necessary for its use. In order to efficiently store and transport hydrogen as a fuel, hydrogen liquefaction technology is essential. Therefore, it is desired to significantly improve the energy efficiency required for liquefaction over the current cooling with a gaseous refrigerant using ammonia or chlorofluorocarbon gas. It has been proposed to use a magnetic refrigeration system for such improvement, but in order to make the system effective, it is desired to develop an optimal magnetic refrigeration material that can be used in the system.
そのような磁気冷凍システムに使用できる磁気冷凍材料として、希土類元素と遷移金属との金属間化合物が種々提案されている。そのような金属化合物には、例えばDyNi2、HoAl2、ErCo2、DyAl2、(Dy,Ho)Al2等がある(下記非特許文献1〜4参照)。このような金属間化合物は、水素貯蔵合金にも利用できることから理解できるように、水素との反応性が高く、水素化物となって磁気転移温度等の磁気的性質が変化する。水素を液化する場合、磁気冷凍材料は、その熱効率を上げるため、水素と直接するように使用することが望ましい。しかしながら、直接接触する場合には、上述の反応性のため、磁気冷凍材料を長期にわたって繰り返し安定して所望の温度範囲で作動する磁気冷凍材料として使用することができなくなる。また、ErCo2などの一部の金属間化合物は一次相転移を起こし、磁気転移温度で結晶構造までが変化する。従って、励磁・消磁に伴って磁気転移温度を経る温度変化に反復的にさらされることによって材料が脆化し、磁気冷凍材料としての機能が低下してしまう(下記非特許文献5〜8参照)。
Various magnetic intermetallic compounds of rare earth elements and transition metals have been proposed as magnetic refrigeration materials that can be used in such a magnetic refrigeration system. Examples of such metal compounds include DyNi 2 , HoAl 2 , ErCo 2 , DyAl 2 , (Dy, Ho) Al 2, and the like (see Non-Patent
ところで、液体ヘリウム温度のような極低温をエネルギー効率よく実現する装置として、蓄冷機能を有する蓄冷材式冷凍機が提唱され、すでに市販されている。この冷凍機は医療機器のMRIや磁気浮上車両など、強力な磁場を発生させるための超伝導コイルの冷却に用いられる。蓄冷材には大きな比熱が求められるが、一般に20K以下の極低温では、物質の比熱は冷媒として用いられるHeに比べ極めて小さくなる。このため、20K以下でも大きな比熱をもつ材料が調査され、希土類元素を含有する金属間化合物が開発され、現在市販されるに至っている。これらの金属間化合物は極低温で磁気転移し、その転移温度付近で大きな磁気比熱を示す。この大きな磁気比熱を蓄熱に利用している。 By the way, a cold storage material type refrigerator having a cold storage function has been proposed as an apparatus for efficiently realizing a cryogenic temperature such as a liquid helium temperature, and is already on the market. This refrigerator is used for cooling superconducting coils for generating a strong magnetic field, such as MRI of medical equipment and magnetic levitation vehicles. Although a large specific heat is required for the regenerator material, the specific heat of the substance is extremely small as compared with He used as a refrigerant at an extremely low temperature of 20K or less. For this reason, materials having a large specific heat even at 20K or less have been investigated, and intermetallic compounds containing rare earth elements have been developed and are now on the market. These intermetallic compounds undergo a magnetic transition at an extremely low temperature and exhibit a large magnetic specific heat near the transition temperature. This large magnetic specific heat is used for heat storage.
一般に磁気比熱は、磁場雰囲気中では、無磁場雰囲気と比べると、著しく減少する傾向がある。従って、磁場が存在する雰囲気において低温を発してそれを維持する場合、磁場雰囲気中において大きい比熱を有する蓄冷材が必要となる。例えば、先にも述べたように、極低温用冷凍機は多くの場合、強磁場を発生する装置の近傍で使用されるので、ある程度の漏洩磁場に晒されるため、そのような蓄冷材が望まれる。尚、希土類窒化物の一部(例えば、ErN、DyN等)の極低温における比熱が評価されている(下記非特許文献9参照)が、磁場の影響については、教示も示唆もされていない。
従って、本発明が解決しようとする課題は、上述のような金属間化合物に代わる新たな磁気冷凍材料および蓄冷材料、特に水素の液化に好都合な低温を発生するのに使用できる磁気冷凍材料または磁場発生装置を冷却するための冷凍機に好都合な蓄冷材料を提供することである。また、本発明が解決しようとする別の課題は、そのような磁気冷凍材料や蓄冷材料を使用する冷凍システム、更には、そのようなシステムを使用する水素液化プラントを提供することである。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is that a new magnetic refrigeration material and cold storage material replacing the intermetallic compound as described above, particularly a magnetic refrigeration material or magnetic field that can be used to generate a low temperature convenient for hydrogen liquefaction. It is to provide a cold storage material that is convenient for a refrigerator for cooling a generator. Another problem to be solved by the present invention is to provide a refrigeration system using such a magnetic refrigeration material or a cold storage material, and a hydrogen liquefaction plant using such a system.
上記課題について鋭意検討した結果、発明者らは、希土類元素の窒化物を製造し、その磁気的特性データを測定し、そのデータを処理することによって、そのような希土類元素の窒化物を磁気冷凍材料として、また磁場雰囲気中でも高い蓄熱特性を示す蓄冷材料として使用できることを見出し、それによって上述の課題を解決できることを見出した。 As a result of intensive studies on the above problems, the inventors manufactured nitrides of rare earth elements, measured their magnetic property data, and processed the data to make such rare earth element nitrides magnetically refrigerated. It has been found that it can be used as a material and as a cold storage material exhibiting high heat storage characteristics even in a magnetic field atmosphere, thereby finding that the above-mentioned problems can be solved.
従って、第1の要旨において、本発明は、少なくとも1種の希土類元素の窒化物を含んで成る磁気冷凍材料または蓄冷材料を提供する。そのような窒化物は、組成式:MN(式中、Mは1またはそれ以上の希土類元素を表す)として表すことができる。尚、磁気冷凍材料とは、周知の磁気冷凍技術において作業物質として用いられる材料であって、磁場の影響下において磁気エントロピーが変化して磁気熱量効果を示す材料である。一般的に、磁気冷凍材料に磁場を印加するとその磁気エントロピーが減少して、その結果、周囲に熱を放出し、逆に、磁気冷凍材料を印加状態から消磁すると、その磁気エントロピーが増加して、その結果、周囲から熱を吸収する。 Accordingly, in a first aspect, the present invention provides a magnetic refrigeration material or a cold storage material comprising a nitride of at least one rare earth element. Such nitrides can be represented by the composition formula: MN, where M represents one or more rare earth elements. The magnetic refrigeration material is a material used as a working substance in a well-known magnetic refrigeration technique, and shows a magnetocaloric effect by changing the magnetic entropy under the influence of a magnetic field. Generally, when a magnetic field is applied to a magnetic refrigeration material, its magnetic entropy decreases, and as a result, heat is released to the surroundings. Conversely, when a magnetic refrigeration material is demagnetized from the applied state, its magnetic entropy increases. As a result, it absorbs heat from the surroundings.
本発明の磁気冷凍材料あるいは蓄冷材料において、窒化物の形態である希土類元素、即ち、希土類元素窒化物は、NaCl構造を有する。周期律表から明らかなように、希土類元素には17種類の元素が含まれ、本発明の磁気冷凍材料に含まれる窒化物を構成する希土類元素は、そのいずれの1つであってもよく、また、少なくとも2種のいずれの組み合わせであってもよい。尚、本発明の磁気冷凍材料は、磁場Hが一定の時の温度Tに対する磁化Mの変化(∂M/∂T)Hがある温度で極値となる性質を有する。従って、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、セリウム(Ce)、Yb(イッテルビウム)およびLu(ルテチウム)のような希土類元素単独の窒化物の場合、この性質を有さないので、本発明の磁気冷凍材料から除外される。しかしながら、これらの希土類元素は、この性質を発現できる1またはそれ以上の他の希土類元素と組み合わせた場合、その窒化物は、全体として(∂M/∂T)Hが極値となる温度が存在する。従って、希土類元素のそのような組み合わせについては、本発明の磁気冷凍材料に含まれる。 In the magnetic refrigeration material or the cold storage material of the present invention, the rare earth element in the form of nitride, that is, the rare earth element nitride has a NaCl structure. As apparent from the periodic table, the rare earth element contains 17 kinds of elements, and the rare earth element constituting the nitride contained in the magnetic refrigeration material of the present invention may be any one of them, Moreover, any combination of at least two types may be used. The magnetic refrigeration material of the present invention has the property that the change in magnetization M with respect to temperature T when magnetic field H is constant (∂M / ∂T) H has an extreme value at a certain temperature. Therefore, a rare earth element single nitride such as Sc (scandium), Y (yttrium), La (lanthanum), cerium (Ce), Yb (ytterbium) and Lu (lutetium) does not have this property. And excluded from the magnetic refrigeration material of the present invention. However, when these rare earth elements are combined with one or more other rare earth elements that can exhibit this property, the nitride as a whole has a temperature at which (∂M / ∂T) H is an extreme value. To do. Therefore, such a combination of rare earth elements is included in the magnetic refrigeration material of the present invention.
本発明の磁気冷凍材料や蓄冷材料の窒化物を構成する希土類元素は、上述のような希土類元素の少なくとも1種であればよく、その数は特に限定されるものではないが、例えば1種類、2種類または3種類である。特に好ましい希土類元素は、Nd(ネオジム)、Gd(ガドリニウム)、Dy(ディスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Tb(テルビウム)およびEr(エルビウム)であり、これらの元素のいずれか1つの窒化物(即ち、一元系窒化物)であっても、複数元素の窒化物(即ち、固溶体)、例えば2つの元素の窒化物(即ち、2元系窒化物)であってもよい。尚、複数の希土類元素の窒化物である場合、窒化物に含まれる希土類元素の組み合わせおよびその割合は、いずれの適当なものであってもよい。これらは、例えば、窒化物の磁気的性質、磁気冷凍材料を用いて得ることを意図する低温、窒化物を製造する原料の入手可能性および製造コスト、等に応じて選択できる。 The rare earth element constituting the nitride of the magnetic refrigeration material or the cold storage material of the present invention may be at least one kind of the rare earth element as described above, and the number thereof is not particularly limited. Two or three types. Particularly preferred rare earth elements are Nd (neodymium), Gd (gadolinium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Tb (terbium) and Er (erbium), and nitrides of any one of these elements (Ie, a single-component nitride) or a nitride of a plurality of elements (ie, a solid solution), for example, a nitride of two elements (ie, a binary nitride). In the case of a nitride of a plurality of rare earth elements, any appropriate combination of the rare earth elements contained in the nitride and the ratio thereof may be used. These can be selected according to, for example, the magnetic properties of the nitride, the low temperature intended to be obtained using the magnetic refrigeration material, the availability of raw materials for producing the nitride, the production cost, and the like.
従って、本発明の磁気冷凍材料または蓄冷材料に含まれる希土類元素窒化物としては、GdN、DyN、HoN、TbNおよびErNを例示できる。また、固溶体としては、GdXDy1−XN(0<X<1)を例示できる。このような窒化物を含む磁気冷凍材料は、その使用態様に応じて、いずれの適当な形態であってもよく、例えば粉末形態、バルク形態または塊状、多孔質形態等であってよい。一例では、所定の形状を有する燒結体であってよい。 Therefore, GdN, DyN, HoN, TbN and ErN can be exemplified as the rare earth element nitride contained in the magnetic refrigeration material or the cold storage material of the present invention. As the solid solution, Gd X Dy 1-X N (0 <X <1) can be exemplified. Such a magnetic refrigeration material containing a nitride may be in any suitable form depending on the use mode, for example, a powder form, a bulk form or a bulk form, a porous form, and the like. In one example, it may be a sintered body having a predetermined shape.
本発明の磁気冷凍材料または蓄冷材料は、上述の希土類元素窒化物に加えて、不可避的に混入する成分、例えば窒化物の製造に際して使用原料中に共存する不純物に由来する成分を含んでもよい。また、目的とする磁気冷凍効果あるいは蓄冷効果を得ることができる限り、別の目的のために、他の成分を含んでもよい。そのような他の成分としては、例えば、炭素熱還元法による窒化物の合成に際して、希土類元素の酸化物の還元のために加える炭素および除去不可避な酸素、希土類窒化物の相の安定化のために加える成分(例えば硼素、珪素、モリブデン、ナトリウム、カルシウム、タンタル、ジルコニウム、これらの化合物、またはこれらのいずれかの組み合わせ等)、焼結助剤(例えばバナジウム、ビスマス、インジウム、これらの化合物、またはこれらのいずれかの組み合わせ等)等を例示でき、そのような別の目的に必要な量で含んでよい。 The magnetic refrigeration material or the cold storage material of the present invention may contain, in addition to the rare earth element nitrides described above, components inevitably mixed, for example, components derived from impurities coexisting in the raw materials used in the production of nitrides. Moreover, as long as the target magnetic refrigeration effect or the cool storage effect can be acquired, another component may be included for another purpose. Such other components include, for example, carbon added for the reduction of rare earth oxides in the synthesis of nitrides by the carbothermal reduction method, and inevitable removal of oxygen and the phase of rare earth nitrides. Components added to (e.g., boron, silicon, molybdenum, sodium, calcium, tantalum, zirconium, these compounds, or any combination thereof), sintering aids (e.g., vanadium, bismuth, indium, these compounds, or Any combination of these may be exemplified and may be included in an amount necessary for such another purpose.
また、本発明は、第2の要旨において、上述の第1の要旨の磁気冷凍材料を用いた磁気冷凍システムを提供する。磁気冷凍材料を使用する磁気冷凍システムは、種々しられており、そのような既知の磁気冷凍システムにおいて、使用する磁気冷凍材料として上述の第1の要旨の磁気冷凍材料を使用することができる。また、上記の第1の要旨の蓄冷材料を用いた冷凍システムを提供する。蓄冷材料を使用する冷凍システムは、種々知られており、そのような既知の冷凍システムにおいて、使用する蓄冷材料として上述の第1の要旨の蓄冷材料を使用することができる。 Moreover, this invention provides the magnetic refrigeration system using the magnetic refrigeration material of the above-mentioned 1st summary in the 2nd summary. There are various types of magnetic refrigeration systems that use magnetic refrigeration materials. In such known magnetic refrigeration systems, the magnetic refrigeration materials of the first aspect described above can be used as magnetic refrigeration materials. Moreover, the refrigerating system using the cool storage material of said 1st summary is provided. Various refrigeration systems using a cold storage material are known. In such a known refrigeration system, the cold storage material of the first aspect described above can be used as the cold storage material to be used.
更に、本発明は、第3の要旨において、上述の第2の要旨の磁気冷凍システムを用いる液体水素製造方法および液体水素製造プラントを提供する。気体水素を冷却して液体水素を製造する方法およびその方法を実施するプラントは種々知られている。そのような方法およびプラントにおいて、液化に必要な低温を得るために上述の第2の要旨の磁気冷凍システムを使用することができる。加えて、本発明は上述の第2の要旨の蓄冷式冷凍システムを用いる磁場発生装置を提供する。冷凍システムを用いる磁場発生装置は種々知られている。そのような方法およびシステムにおいて、磁場を発生させるために必要な低温を得るために上述の第2の要旨の冷凍システムを使用することができる。磁場発生装置は、具体的にはMRI装置(核磁気共鳴診断装置)、半導体製造装置用等の高真空ポンプ、電波天文台、半導体検査装置の各種X線、赤外線センサーの冷却、タンパク質分析装置、超電導発電機、超電導蓄電装置、通信用超電導フィルタ等の装置に組み込まれて使用される。従って、本発明は、本発明の希土類窒化物を蓄冷材料として使用するMRI装置、半導体製造装置用等の高真空ポンプ、電波天文台、半導体検査装置の各種X線、赤外線センサーの冷却、タンパク質分析装置、超電導発電機、超電導蓄電装置、通信用超電導フィルタ等も提供する。 Furthermore, in the third aspect, the present invention provides a liquid hydrogen production method and a liquid hydrogen production plant using the magnetic refrigeration system of the second aspect described above. Various methods for producing gaseous hydrogen by cooling gaseous hydrogen and plants for carrying out the method are known. In such a method and plant, the magnetic refrigeration system of the second aspect described above can be used to obtain the low temperature required for liquefaction. In addition, the present invention provides a magnetic field generator using the regenerative refrigeration system of the second aspect described above. Various magnetic field generators using a refrigeration system are known. In such a method and system, the refrigeration system of the second aspect described above can be used to obtain the low temperature required to generate the magnetic field. Specifically, the magnetic field generator is an MRI apparatus (nuclear magnetic resonance diagnostic apparatus), a high vacuum pump for a semiconductor manufacturing apparatus, a radio observatory, various X-rays of a semiconductor inspection apparatus, cooling of an infrared sensor, a protein analyzer, a superconductivity Used in a device such as a generator, a superconducting power storage device, or a superconducting filter for communication. Therefore, the present invention is an MRI apparatus using the rare earth nitride of the present invention as a cold storage material, a high vacuum pump for semiconductor manufacturing equipment, radio observatory, various X-rays of semiconductor inspection equipment, cooling of infrared sensors, protein analysis equipment Also provided are a superconducting generator, a superconducting power storage device, a superconducting filter for communication, and the like.
尚、発明者らが知る限りでは、単一の希土類元素の窒化物はいずれも既知であるが、少なくとも2種の希土類元素の窒化物は知られていないものが多い。例えば、2元系希土類窒化物で結晶構造パラメータが報告されている既知の物質系には以下のようなものがある:(La,Ce)N,(La,Nd)N、(La,Gd)N、(Ce,Pr)N、(Ce,Nd)N,(Ce,Gd)N、(Ce,Tb)N、(Pr、Gd)N、(Nd,Gd)N、(Eu,Gd)N、(Gd、Yb)N、(Y,Gd)N、(Y,Er)N。これら以外の2元系については全く報告がない。また、単一および複数の希土類元素の窒化物の磁気熱量効果を評価するために、いずれのそのような窒化物についても磁気的性質を測定し、その結果を検討することは行われていない。従って、本発明が提供する少なくとも2種の希土類元素の窒化物であって、上記の物質系以外のものは、それ自体新規である。 As far as the inventors know, any single rare earth nitride is known, but at least two rare earth nitrides are not known in many cases. For example, known material systems in which crystal structure parameters have been reported for binary rare earth nitrides include the following: (La, Ce) N, (La, Nd) N, (La, Gd) N, (Ce, Pr) N, (Ce, Nd) N, (Ce, Gd) N, (Ce, Tb) N, (Pr, Gd) N, (Nd, Gd) N, (Eu, Gd) N , (Gd, Yb) N, (Y, Gd) N, (Y, Er) N. There are no reports on binary systems other than these. Also, in order to evaluate the magnetocaloric effect of single and multiple rare earth nitrides, the magnetic properties of any such nitrides have not been measured and the results examined. Therefore, the nitrides of at least two rare earth elements provided by the present invention, other than the above-mentioned material systems, are novel per se.
従って、本発明は、例えばGdXDy1−XN、GdXTb1−XN、GdXHo1−XN、GdXEr1−XN、GdXNd1−XN、TbXDy1−XN、TbXNd1−XN、TbXHo1−XN、TbXEr1−XN、DyXHo1−XN、DyXEr1−xN、DyXNd1−XN、HoXEr1−xN、HoXNd1−xN、およびErXNd1−xN(いずれも0<X<1)のような希土類元素窒化物自体を提供する。尚、本明細書において、Xは希土類元素の組成であると言える。
Therefore, the present invention is, for example, Gd X Dy 1-X N, Gd X Tb 1-X N, Gd X Ho 1-X N, Gd X Er 1-X N, Gd X Nd 1-X N, Tb X Dy. 1-X N, Tb X Nd 1-X N, Tb X Ho 1-X N, Tb X Er 1-X N, Dy X Ho 1-X N, Dy X Er 1-x N, Dy X Nd 1- X N, Ho X Er 1- x N, Ho X Nd 1-x N, and Er X Nd 1-x N (
本明細書にて説明するように、発明者らは、Gd(ガドリニウム)、Dy(ディスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Tb(テルビウム)およびEr(エルビウム)の窒化物を、製造し、さらに、様々な温度と磁場のもとで、これらの窒化物の磁気的性質を評価した。また、Gd(ガドリニウム)およびDy(ディスプロシウム)の種々の組み合わせの窒化物固溶体を実際に製造し、同様に、これらの窒化物の磁気的性質を評価した。これらの知見から、また、本明細書において例示するように、GdNとDyNは全率固溶し、その格子定数や磁気転移温度は、組成に対してほぼ直線的に変化する。従って、二種類以上の希土類窒化物同士が全率固溶することは容易に類推できる。また、磁気転移温度も、希土類窒化物の組成に応じて変化することは明らかである。なお、磁気転移しない窒化物については、その磁気転移温度が0Kであると考えるのが妥当である。このようにGd−Dy系窒化物固溶体を製造できたことおよびその結晶構造的、または磁気的評価結果に基づけば、他の希土類元素の組み合わせについても同様に固溶体窒化物を製造できることが明らかであり、また、これらの固溶体窒化物は、磁気冷凍材料として使用できることも明らかである。 As described herein, the inventors have produced nitrides of Gd (gadolinium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Tb (terbium) and Er (erbium), and The magnetic properties of these nitrides were evaluated under various temperatures and magnetic fields. In addition, nitride solid solutions of various combinations of Gd (gadolinium) and Dy (dysprosium) were actually produced, and similarly the magnetic properties of these nitrides were evaluated. From these findings and as exemplified in the present specification, GdN and DyN are completely dissolved, and their lattice constant and magnetic transition temperature change almost linearly with respect to the composition. Therefore, it can be easily analogized that two or more kinds of rare earth nitrides are completely dissolved. It is clear that the magnetic transition temperature also changes depending on the composition of the rare earth nitride. For nitrides that do not undergo magnetic transition, it is reasonable to consider that the magnetic transition temperature is 0K. Based on the fact that the Gd-Dy nitride solid solution can be produced in this way and the crystal structure or magnetic evaluation results thereof, it is clear that the solid solution nitride can be produced similarly for other rare earth element combinations. It is also clear that these solid solution nitrides can be used as magnetic refrigeration materials.
そのような新規の少なくとも2種の希土類元素の窒化物に含まれる希土類元素は、物質全体として(∂M/∂T)Hが極値となる温度が存在すれば、上述のいずれの希土類元素の組み合わせであってもよい。例えば、Nd(ネオジム)、Gd(ガドリニウム)、Dy(ディスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Tb(テルビウム)およびEr(エルビウム)から選択される少なくとも1種を含んで成る組み合わせを例示でき、特に、これらの希土類元素のみを含む窒化物であるのが好ましい。 The rare earth element contained in such a novel nitride of at least two rare earth elements can be any of the above-mentioned rare earth elements as long as there is a temperature at which (∂M / ∂T) H is an extreme value as a whole material. It may be a combination. For example, a combination comprising at least one selected from Nd (neodymium), Gd (gadolinium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Tb (terbium), and Er (erbium) can be exemplified. A nitride containing only these rare earth elements is preferable.
尚、希土類元素が複数含まれている場合の希土類元素の組成は、特に限定されるものではなく、窒化物を使用する目的に応じていずれの組成であってもよい。後述するように、窒化物の製造に際して、これらの希土類元素を含む原料化合物(例えば希土類元素の酸化物)を、意図する組成に応じて、所定量で混合することによって、いずれの組成とすることも可能である。 In addition, the composition of the rare earth element when a plurality of rare earth elements are contained is not particularly limited, and may be any composition depending on the purpose of using the nitride. As will be described later, in the production of nitrides, the raw material compounds containing these rare earth elements (for example, oxides of rare earth elements) are mixed in a predetermined amount according to the intended composition, so that any composition is obtained. Is also possible.
本発明の磁気冷凍材料に含まれる希土類窒化物は二次相転移する。その結果、先に説明した金属間化合物と比較して、磁気転移温度を経る繰り返しの温度変化に対しても脆化しない。また、水素雰囲気下においても安定である。更に、本発明の磁気冷凍材料における希土類窒化物は、後述するように、大部分が窒素沸点(77K)〜水素の沸点(20K)の範囲において相転移する。従って、水素を液化する場合に必要とする低温を効率的に発生することができ、磁気冷凍材料が水素と直接接触する場合であっても、磁気冷凍材料として安定に機能することができる。 The rare earth nitride contained in the magnetic refrigeration material of the present invention undergoes a secondary phase transition. As a result, compared to the intermetallic compound described above, it does not become brittle with respect to repeated temperature changes through the magnetic transition temperature. It is also stable under a hydrogen atmosphere. Furthermore, as will be described later, most of the rare earth nitrides in the magnetic refrigeration material of the present invention undergo a phase transition in the range of nitrogen boiling point (77K) to hydrogen boiling point (20K). Therefore, the low temperature required for liquefying hydrogen can be efficiently generated, and even when the magnetic refrigeration material is in direct contact with hydrogen, it can function stably as a magnetic refrigeration material.
本発明の希土類元素窒化物の製造は、そのような窒化物を製造する既知のいずれの適当な方法で実施してもよい。例えば、窒素やアンモニア気流下における希土類元素酸化物(例えばGd2O3、Dy2O3等)の炭素熱還元法によって製造することができる。炭素熱還元中の雰囲気は十分反応するだけの窒素量を維持できるのであれば、Ar、He、Ne、Kr等の不活性ガスを混合してもかまわない。また、固相に残留する炭素を除去する目的で、水素ガスを混合してもよい。固溶体の窒化物の場合は、希土類元素の酸化物を少なくとも2種混合して同様に炭素熱還元する。混合した酸化物に含まれる希土類元素の割合が固溶体における希土類元素の割合に実質的に対応する。即ち、目的とする固溶体における希土類元素の組成に、希土類酸化物の混合物中における希土類元素の量が化学量論量的に対応するように、希土類酸化物の混合物を用いる。別法では、高圧(例えば1400気圧)の高純度(例えば純度99.9999%)の窒素ガス雰囲気中で希土類元素単体の金属片を高温(例えば1600℃)にて加熱するHot Isostatic Press(HIP)法でも希土類窒化物を製造できる。2種類以上の希土類元素からなる合金片を高圧(例えば1400気圧)の高温(例えば1600℃)にて加熱するHot Isostatic Press(HIP)法でも希土類元素窒化物を製造できる。合金に含まれる希土類元素の割合が固溶体における希土類元素の割合に実質的に対応する。 The production of the rare earth nitrides of the present invention may be carried out by any suitable method known for producing such nitrides. For example, it can be produced by a carbothermal reduction method of a rare earth element oxide (for example, Gd 2 O 3 , Dy 2 O 3, etc.) in a nitrogen or ammonia stream. An inert gas such as Ar, He, Ne, and Kr may be mixed as long as the atmosphere during the carbothermal reduction can maintain a sufficient amount of nitrogen to react. Further, hydrogen gas may be mixed for the purpose of removing carbon remaining in the solid phase. In the case of a solid solution nitride, at least two kinds of rare earth element oxides are mixed and similarly subjected to carbothermal reduction. The ratio of the rare earth element contained in the mixed oxide substantially corresponds to the ratio of the rare earth element in the solid solution. That is, the rare earth oxide mixture is used so that the amount of the rare earth element in the rare earth oxide mixture stoichiometrically corresponds to the composition of the rare earth element in the target solid solution. In another method, a hot isostatic press (HIP) that heats a rare earth element metal piece at a high temperature (eg, 1600 ° C.) in a high-purity (eg, 1400 atm) high-purity (eg, purity 99.9999%) nitrogen gas atmosphere. Rare earth nitrides can also be produced by this method. Rare earth element nitrides can also be produced by a Hot Isostatic Press (HIP) method in which an alloy piece composed of two or more kinds of rare earth elements is heated at a high pressure (eg, 1400 atm) at a high temperature (eg, 1600 ° C.). The proportion of rare earth elements contained in the alloy substantially corresponds to the proportion of rare earth elements in the solid solution.
窒素雰囲気下での炭素熱還元法は、以下の式で表すことができる:
M2O3+3C+N2→2MN+3CO
(式中、Mは希土類元素であり、これは1種の元素であっても、複数の元素であってもよい。)
The carbothermal reduction method under a nitrogen atmosphere can be represented by the following formula:
M 2 O 3 + 3C + N 2 → 2MN + 3CO
(In the formula, M is a rare earth element, which may be a single element or a plurality of elements.)
例えば、ガドリニウムの場合は、
Gd2O3+3C+N2→2GdN+3CO
となる。
For example, in the case of gadolinium,
Gd 2 O 3 + 3C + N 2 → 2GdN + 3CO
It becomes.
また、ガドリニウムおよびディスプロシウムの2元系窒化物の場合は、
XGd2O3+(1−X)Dy2O3+3C+N2→2GdXDy1−XN+3CO
となる(但し、0<X<1)。他の窒化物についても同様に反応が進行する。
In the case of binary nitrides of gadolinium and dysprosium,
XGd 2 O 3 + (1-X) Dy 2 O 3 + 3C + N 2 → 2Gd X Dy 1-X N + 3CO
(Where 0 <X <1). The reaction proceeds similarly for other nitrides.
尚、希土類元素の内、テルビウム(Tb)については、常温常圧ではTb4O7でより安定に存在する。従って、Tb4O7を原料として用いた場合の炭素熱還元法は、以下の式で表すことができる:
Tb4O7+7C+2N2→4TbN+7CO
従って、Tbを含む2元系について、炭素熱還元法は、以下の式で表すことができる:
2XLn2O3+(1−X)Tb4O7+(7−X)C+2N2
→4LnXTb1−XN+(7−X)CO
(但し、LnはTb以外の他の希土類元素を表し、0<X<1である。)
Of the rare earth elements, terbium (Tb) exists more stably as Tb 4 O 7 at normal temperature and pressure. Therefore, the carbothermal reduction method using Tb 4 O 7 as a raw material can be represented by the following formula:
Tb 4 O 7 + 7C + 2N 2 → 4TbN + 7CO
Thus, for binary systems containing Tb, the carbothermal reduction method can be represented by the following formula:
2XLn 2 O 3 + (1- X) Tb 4
→ 4Ln X Tb 1-X N + (7-X) CO
(However, Ln represents a rare earth element other than Tb, and 0 <X <1.)
従って、例えばガドリニウムとテルビウムの2元系(GdXTb1−XN)については、
2XGd2O3+(1−X)Tb4O7+(7−X)C+2N2
→4GdXTb1−XN+(7−X)CO
となり、例えばホルミウムとテルビウムの2元系(HoXTb1−XN)については、
2XHo2O3+(1−X)Tb4O7+(7−X)C+2N2
→4HoXTb1−XN+(7−X)CO
となる。
Thus, for example, for the binary system of gadolinium and terbium (Gd X Tb 1-X N),
2XGd 2 O 3 + (1- X) Tb 4
→ 4Gd X Tb 1-X N + (7-X) CO
For example, for the binary system of holmium and terbium (Ho X Tb 1-X N),
2XHo 2 O 3 + (1- X) Tb 4
→ 4Ho X Tb 1-X N + (7-X) CO
It becomes.
尚、窒素気流下における炭素熱還元法は、周知の技術であり、炭素あるいはフェノール樹脂やクエン酸などの炭素供給材料と希土類元素酸化物を粉末状態で混合してペレット形態とし、これを反応管において窒素気流下、高温(例えば1500℃)に加熱することによって実施できる。反応する炭素は、上記反応式における化学量論量より過剰に、例えば2倍の量を使用するのが好ましい。 The carbothermic reduction method under a nitrogen stream is a well-known technique, and carbon or a carbon supply material such as phenol resin or citric acid and rare earth element oxide are mixed in a powder state to form a pellet. Can be carried out by heating to a high temperature (for example, 1500 ° C.) under a nitrogen stream. The amount of carbon to be reacted is preferably used in excess of the stoichiometric amount in the above reaction formula, for example, twice as much.
本発明の磁気冷凍材料に含まれる希土類元素窒化物の磁気熱量効果の評価に関しては、得られる窒化物について磁化特性データを得、得られたデータを以下のように処理して実施できる。 Regarding the evaluation of the magnetocaloric effect of the rare earth element nitride contained in the magnetic refrigeration material of the present invention, magnetization characteristic data can be obtained for the obtained nitride, and the obtained data can be processed as follows.
等温状態で磁場をHからゼロまで消磁することによって生じる磁気エントロピー変化ΔSを算出することによって磁気熱量効果を評価する。このΔSは、磁場Hおよび温度Tを用いて、次式(1)のように表される: The magnetocaloric effect is evaluated by calculating the magnetic entropy change ΔS caused by demagnetizing the magnetic field from H to zero in an isothermal state. This ΔS is expressed by the following equation (1) using the magnetic field H and the temperature T:
この式(1)に、マックスウェルの関係式:
を代入すると、
Substituting
従って、本発明の磁気冷凍材料について、磁化M、温度Tおよび磁場Hにおける磁化Mのデータの組(即ち、M(T,H))を実験的に得、得られたデータを用いて数値計算することによって、エントロピー変化ΔS(T,H)を求めることができる。 Accordingly, for the magnetic refrigeration material of the present invention, a data set of magnetization M at the magnetization M, temperature T and magnetic field H (ie, M (T, H)) is experimentally obtained, and numerical calculation is performed using the obtained data. By doing so, the entropy change ΔS (T, H) can be obtained.
(希土類元素窒化物の製造)
所定の量比のGd2O3およびDy2O3の粉末(購入先:Rare Metallic社、純度:各99.99%)、ならびに無定形炭素を乳鉢で粉砕して遊星式ボールミルによって十分に混合した。尚、炭素は、上記反応式における化学量論量の2倍の量を加え、酸化物の総量を3gとした。
(Production of rare earth element nitrides)
Gd 2 O 3 and Dy 2 O 3 powders (purchased by: Rare Metallic, purity: 99.99% each) in a given quantitative ratio, and amorphous carbon were pulverized in a mortar and mixed thoroughly by a planetary ball mill did. Carbon was added in an amount twice the stoichiometric amount in the above reaction formula to make the total amount of oxide 3 g.
混合した粉末を円筒状を有するペレット(直径7mm、質量約80mg)に成形し、これをアルミナ製反応管に入れて、電気オーブンにて、窒素気流下、1500℃にて15時間加熱し、その後、室温まで冷却した。このようにしてGd単独、Dy単独、およびこれらの固溶体(X=0.1、0.3、0.5、0.7および0.9)について燒結された窒化物を得た。
The mixed powder is formed into cylindrical pellets (
得られた窒化物の結晶構造を解析するために、窒化物を乳鉢にて粉末にしてX線回折(XRD)パターンを得た。これに際しては、理学電機株式会社のRINT Ultima+を使用し、Cu−Kα線を用いた。 In order to analyze the crystal structure of the obtained nitride, the nitride was powdered in a mortar to obtain an X-ray diffraction (XRD) pattern. In this case, RINT Ultima + from Rigaku Corporation was used and Cu—Kα line was used.
尚、測定条件は、発散スリット:1.00°、スキャンスピード:3.00°/分、サンプリング幅:0.02°、回折角2θ:20〜120°であった。
GdおよびDyに加えて、Er、HoおよびTbの窒化物についてもこれらの酸化物を原料として同様に製造した。GdN、TbN、DyN、HoNおよびErNについてのX線回折パターンの測定結果を図1に示す(尚、縦軸は回折強度(Intensity、任意単位)である)。
The measurement conditions were divergent slit: 1.00 °, scan speed: 3.00 ° / min, sampling width: 0.02 °, and diffraction angle 2θ: 20-120 °.
In addition to Gd and Dy, Er, Ho, and Tb nitrides were similarly produced using these oxides as raw materials. The measurement result of the X-ray diffraction pattern for GdN, TbN, DyN, HoN and ErN is shown in FIG. 1 (where the vertical axis is the diffraction intensity (Intensity, arbitrary unit)).
更に、次の2元系:Gd−TbおよびHo−Tbの窒化物も組成(X)を変えて同様に製造し、そのX線回折パターンを同様に測定した。Gd−DyN、Gd−TbNおよびHo−TbNの測定結果を同様に図9〜11にそれぞれ示す(尚、XはGdまたはHoの割合、即ち、組成を意味する)。 Further, nitrides of the following binary systems: Gd-Tb and Ho-Tb were produced in the same manner while changing the composition (X), and the X-ray diffraction patterns were measured in the same manner. The measurement results of Gd-DyN, Gd-TbN and Ho-TbN are similarly shown in FIGS. 9 to 11 (where X means the ratio of Gd or Ho, ie, the composition).
尚、過剰の炭素を除去するために特別な処理を実施しなかったので、いくらかの炭素が窒化物中に残存していたと考えられる。しかしながら、後述するように、本発明者らが測定したGdNおよびDyNの磁気的データ及び結晶構造のパラメータが、既に報告されているデータ(例えばD.X. Li, Y. Haga, H. Shida, T. Suzuki, T.S. Kwon, G. Kido, J. Phys. Condens. Mater. 9 (1997) 10777; G. Busch, J. Appl. Phys. 38 (1967) 1386;O. Vogt, K. Matternberger, J. Alloys Comp. 223 (1995) 226;およびR.J. Gambino, T.R. McGuire, in: Processing of the 7th Rare Earth Research Conference, Coronado, CA, vol. 1, 1968, p.233参照)と十分に一致しているので、炭窒化物は実質的に生成していないと考えられる。また、GdN0.88C0.12のキュリー温度が約190Kであると報告されており(R.J. Gambino, T.R. McGuire, in: Processing of the 7th Rare Earth Research Conference, Coronado, CA, vol. 1, 1968, p.233参照)、これは、純粋な窒化物であるGdNのキュリー温度よりはるかに大きい。従って、固相に残留している炭素は磁性的には存在しないと考えられる。但し、得られた窒化物の質量には若干影響があるが、その量は数質量パーセント程度である。 In addition, since no special treatment was performed to remove excess carbon, it is considered that some carbon remained in the nitride. However, as will be described later, the magnetic data and crystal structure parameters of GdN and DyN measured by the present inventors are already reported (for example, DX Li, Y. Haga, H. Shida, T. Suzuki). , TS Kwon, G. Kido, J. Phys. Condens. Mater. 9 (1997) 10777; G. Busch, J. Appl. Phys. 38 (1967) 1386; O. Vogt, K. Matternberger, J. Alloys Comp 223 (1995) 226; and RJ Gambino, TR McGuire, in: Processing of the 7th Rare Earth Research Conference, Coronado, CA, vol. 1, 1968, p.233). It is considered that nitride is not substantially formed. Further, it has been reported that the Curie temperature of GdN 0.88 C 0.12 is about 190 K (RJ Gambino, TR McGuire, in: Processing of the 7th Rare Earth Research Conference, Coronado, CA, vol. 1, 1968). This is much higher than the Curie temperature of GdN, which is a pure nitride. Therefore, it is considered that the carbon remaining in the solid phase does not exist magnetically. However, although the mass of the obtained nitride is slightly affected, the amount is about several percent by mass.
図1からいずれの窒化物にもNaCl型の回折パターンのみが観測されることがわかる。希土類元素の原子番号が大きくなるにつれて、回折ピーク位置が高角度側にシフトしていくが、これは格子定数が小さくなっていることに対応しており、上記の文献の報告とも一致している。更に、図9〜11は、得られた2元系の窒化物(例えばGd0.5Dy0.5N)がNaCl構造を有する、単一相構造を有する一窒化物であることを明らかに示している。従って、希土類元素の窒化物は、1元系であっても、2元系であっても、同様の回折パターンが得られ、同様の構造を有することが解った。 FIG. 1 shows that only a NaCl-type diffraction pattern is observed in any nitride. As the atomic number of the rare earth element increases, the diffraction peak position shifts to the higher angle side. This corresponds to the fact that the lattice constant is reduced, and is consistent with the reports in the above literature. . Further, FIGS. 9 to 11 clearly show that the obtained binary nitride (eg, Gd 0.5 Dy 0.5 N) is a mononitride having a single phase structure having a NaCl structure. Show. Therefore, it was found that the rare-earth element nitrides have the same structure because the same diffraction pattern is obtained regardless of whether the nitride is a single element or a binary element.
図2および図12に、X線回折パターンから算出した格子定数(Lattice Parameter)を示す。格子定数は、強度の大きいメインピークと呼ばれる回折ピークを抽出し、Cohen法を用いて算出した。2元系の窒化物については、図2から、いずれの希土類元素についても、一方の元素(例えばGd)の割合Xが増加すると、格子定数が線形的に増加する、即ち、Vegardの法則に従っていることが分かる。このことは、本発明の希土類元素窒化物において、希土類元素の2元系窒化物、例えばGdN−DyN、Gd−TbNおよびHo−TbNが固溶体の連続領域を形成していることを意味する。尚、既に報告されているGdN、TbN、HoN、ErNおよびDyNの格子定数(O. Vogt, K. Matternberger, J. Alloys Comp. 223 (1995) 226;およびA. Vendle, J. Nucl. Mater. 79 (1979) 246参照)も図12に示しているが、発明者らが求めた値はこれらとほぼ一致している。 2 and 12 show lattice parameters (Lattice Parameters) calculated from the X-ray diffraction pattern. The lattice constant was calculated using the Cohen method by extracting a diffraction peak called a main peak having a high intensity. For binary nitrides, the lattice constant increases linearly as the ratio X of one element (for example, Gd) increases for any rare earth element from FIG. 2, that is, according to Vegard's law. I understand that. This means that in the rare earth element nitride of the present invention, binary nitrides of rare earth elements such as GdN—DyN, Gd—TbN and Ho—TbN form a continuous region of a solid solution. Note that the lattice constants of GdN, TbN, HoN, ErN and DyN (O. Vogt, K. Matternberger, J. Alloys Comp. 223 (1995) 226; and A. Vendle, J. Nucl. Mater. 79 (1979) 246) is also shown in FIG. 12, but the values obtained by the inventors are almost identical to these.
図2に示すような線形性は、Gd−NとDy−Nとの間の相互作用、Gd−GdとDy−DyとDy−Gdとの間の相互作用が非常に類似していることを示し、このことは、希土類元素の双方が非常に類似していること、特に、イオン半径に関して非常に類似していることを意味する。また、GdNとDyNの格子定数の差はわずかに1.5%であり、これらのことは、希土類元素置換によって生じる局所的な内部歪は、本発明の2元系窒化物においては重大な問題ではないことを示す。また、他の2元系についても、格子定数の差も同程度であり(GdNとTbNの格子定数の差は1.0%、TbNとHoNの格子定数の差は1.3%)、同様のことが当て嵌まる。 The linearity as shown in FIG. 2 indicates that the interaction between Gd-N and Dy-N and the interaction between Gd-Gd, Dy-Dy and Dy-Gd are very similar. This means that both rare earth elements are very similar, in particular very similar with respect to the ionic radius. Further, the difference in lattice constant between GdN and DyN is only 1.5%, which indicates that local internal strain caused by rare earth element substitution is a serious problem in the binary nitride of the present invention. Indicates not. In addition, the difference in lattice constants is similar for other binary systems (difference in lattice constant between GdN and TbN is 1.0%, difference in lattice constant between TbN and HoN is 1.3%), and the like. This is true.
尚、本発明の希土類元素窒化物の理論的密度を格子定数から算出したところ、GdNは9.18×103kg/m3であり、DyNは9.96×103kg/m3、TbNは9.58×103kg/m3、HoNは10.3×103kg/m3、ErNは10.6×103kg/m3となった。それぞれの窒化物の希土類原子密度は、GdNが3.23×1028RE(希土類元素)m−3、DyNが3.40×1028REm−3、TbNが3.34×1028REm−3、HoNが3.47×1028REm−3、ErNが3.52×1028REm−3である。これらの希土類原子密度は、それぞれの希土類金属の希土類原子密度よりかなり大きい。Gd金属の希土類原子密度は3.02×1028REm−3(理論密度7.90×103kg/m3)、Dy金属のそれは3.17×1028REm−3(理論密度8.55×103kg/m3)、Tb金属では3.12×1028REm−3(理論密度8.23×103kg/m3)、Ho金属では3.21×1028REm−3(理論密度8.80×103kg/m3)、Er金属では3.26×1028REm−3(理論密度9.07×103kg/m3)である。 When the theoretical density of the rare earth element nitride of the present invention was calculated from the lattice constant, GdN was 9.18 × 10 3 kg / m 3 , DyN was 9.96 × 10 3 kg / m 3 , TbN Was 9.58 × 10 3 kg / m 3 , HoN was 10.3 × 10 3 kg / m 3 , and ErN was 10.6 × 10 3 kg / m 3 . The rare earth atom density of each nitride is as follows: GdN is 3.23 × 10 28 RE (rare earth element) m −3 , DyN is 3.40 × 10 28 REm −3 , and TbN is 3.34 × 10 28 REm −3. , HoN is 3.47 × 10 28 REm −3 , and ErN is 3.52 × 10 28 REm −3 . These rare earth atom densities are significantly greater than the rare earth atom densities of the respective rare earth metals. The rare earth atom density of Gd metal is 3.02 × 10 28 REm −3 (theoretical density 7.90 × 10 3 kg / m 3 ), and that of Dy metal is 3.17 × 10 28 REm −3 (theoretical density 8.55). × 10 3 kg / m 3 ), Tb metal 3.12 × 10 28 REm −3 (theoretical density 8.23 × 10 3 kg / m 3 ), Ho metal 3.21 × 10 28 REm −3 (theoretical) Density is 8.80 × 10 3 kg / m 3 ), and Er metal is 3.26 × 10 28 REm −3 (theoretical density: 9.07 × 10 3 kg / m 3 ).
(希土類元素窒化物の磁化測定)
上記実施例1にて得られた希土類元素窒化物の磁化測定を実施した。得られた窒化物のペレットの酸化を防止するために、Ar雰囲気のグローブボックス(反応系と接続されている)において、ペレットを粉砕して秤取した約9mgの小片を石英管にパラフィンで封入し、大気にさらすことなく、SQUID磁化計(superconducting quantum interference device magnetometer、MPMS(Magnetic Property Measurement System)、Quantum Design社製)を用いて磁化測定を実施した。ヒステリシス測定に際しては、印可磁場−5〜5T(テスラ)、測定温度は5K、磁気熱量効果の評価については印加磁場0〜5T、測定温度5〜200Kで測定した磁化を採用した。尚、SQUID磁化計は、超伝導リングに2個の接合を含み、直流バイアス電流で駆動するdc型のものである。
(Measurement of magnetization of rare earth nitride)
Magnetization measurement of the rare earth element nitride obtained in Example 1 was performed. In order to prevent oxidation of the resulting nitride pellets, about 9 mg of small pieces obtained by crushing and weighing the pellets in a glove box (connected to the reaction system) in an Ar atmosphere were sealed with paraffin in a quartz tube. The magnetism was measured using a SQUID magnetometer (superconducting quantum interference device magnetometer, MPMS (Magnetic Property Measurement System), manufactured by Quantum Design) without being exposed to the atmosphere. In the hysteresis measurement, applied magnetic field of -5 to 5 T (tesla), measurement temperature of 5K, and evaluation of magnetocaloric effect were applied with magnetization measured at applied magnetic field of 0 to 5 T and measurement temperature of 5 to 200 K. The SQUID magnetometer is a dc type that includes two junctions in a superconducting ring and is driven by a DC bias current.
図13に、単体希土類窒化物について、5Kで測定した磁化(M)と磁場(H)の関係を示す。尚、見易くするために、各窒化物についての測定結果が重ならないように、ずらして結果を示しており、図13において、各窒化物のプロットの中央部を横断する破線が磁化ゼロを示し、破線と隣の破線との間の縦軸の長さが5μBに相当する。GdNではほとんどヒステリシスが観測されないが、原子番号がTb、Dyと大きくなるにつれ、ヒステリシスが観測される。原子番号が更に大きくなると、逆にヒステリシスが減少していくことがわかる。また、いずれの窒化物についても5Tで完全ではないもののほぼ磁化が飽和する傾向がみられる。 FIG. 13 shows the relationship between magnetization (M) and magnetic field (H) measured at 5K for a simple rare earth nitride. For the sake of clarity, the measurement results for each nitride are shown so as not to overlap, and in FIG. 13, the broken line crossing the center of each nitride plot shows zero magnetization, ordinate length between the dashed and the adjacent dashed line corresponds to a 5 [mu] B. Although almost no hysteresis is observed in GdN, hysteresis is observed as the atomic number increases to Tb and Dy. It can be seen that as the atomic number increases further, the hysteresis decreases. In addition, although any nitride is not perfect at 5T, there is a tendency that the magnetization is almost saturated.
図3に、一例として、2元系Gd−DyNの種々の組成Xの希土類窒化物について、5Kにて測定した磁化(M)と磁場(H)との関係を示す。尚、図3において、見易くするために、各組成についての測定結果が重ならないように、ずらして結果を示しており、図3において、各組成のプロットの中央部を横断する破線が磁化ゼロを示し、破線と隣の破線との間の縦軸の長さが5μBに相当する。図3から分かるように、Gdの割合が大きくなるにつれて、ヒステリシスの幅が小さくなり、GdNではヒステリシスは殆ど消滅している。磁場が大きくなると、いずれの試料についても磁化はほぼ飽和状態となっている。図3の挿入図として、希土類元素1個当たりの磁気モーメントの値を示しているが、値は約7〜8μBであり、これは、殆ど全てのモーメントが外部磁場に沿って完全に整列することを意味する。 FIG. 3 shows, as an example, the relationship between the magnetization (M) and the magnetic field (H) measured at 5K for rare earth nitrides having various compositions X of the binary system Gd-DyN. In FIG. 3, for the sake of clarity, the measurement results for each composition are shown so as not to overlap, and in FIG. 3, the broken line crossing the center of each composition plot shows zero magnetization. It indicates the length of the longitudinal axis between the dashed and the adjacent dashed line corresponds to a 5 [mu] B. As can be seen from FIG. 3, as the ratio of Gd increases, the width of the hysteresis decreases, and the hysteresis is almost extinguished in GdN. When the magnetic field is increased, the magnetization is almost saturated in any sample. As inset of FIG. 3 shows the value of magnetic moment per rare earth element, the value is about 7~8Myu B, which is almost all of the moment is perfectly aligned along the external magnetic field Means that.
次に、単体希土類窒化物および2元系希土類元素窒化物(Gd−DyN、Gd−TbNおよびHo−TbN)についてキュリー温度(Curie Temperature)Tcをアロット(Arrott)プロットから求め、その結果を図4および図14に示す。図4では、このキュリー温度を●TC from Arrott plotで示し、横軸は原子番号(Atomic Number)である。図14では、アロットプロットからのキュリー温度を黒塗り記号で示し、横軸は組成Xである。図4および図14では、磁気エントロピー変化のピーク温度(peak temperature of ΔS)もプロットし(図4では■、図14では白抜き記号)、また、図4では文献値も示している。図4および図14から、キュリー温度とピーク温度がよく一致していることが示されている。また、キュリー温度の文献値ともよく一致している。このことは、本発明者が上述のように炭素熱還元法による希土類元素窒化物の製造が適切であることを意味し、また、磁化測定も適切であることを意味する。 Next, Curie Temperature Tc was determined from an Arlot plot for simple rare earth nitrides and binary rare earth element nitrides (Gd-DyN, Gd-TbN and Ho-TbN), and the results are shown in FIG. And shown in FIG. In FIG. 4, this Curie temperature is shown by ● TC from Arrott plot, and the horizontal axis is an atomic number. In FIG. 14, the Curie temperature from the allot plot is indicated by a black symbol, and the horizontal axis is the composition X. 4 and 14, the peak temperature of ΔS of magnetic entropy change is also plotted (■ in FIG. 4, white symbols in FIG. 14), and the literature values are also shown in FIG. 4 and 14 show that the Curie temperature and the peak temperature are in good agreement. It is also in good agreement with the literature value for Curie temperature. This means that the present inventor is suitable for the production of rare earth element nitrides by the carbothermal reduction method as described above, and that the magnetization measurement is also suitable.
尚、文献値は、以下の文献に記載された値である:
O. Vogt, K. Matternberger, J. Alloys Comp. 223 (1995) 226
G. Busch, P. Junod, O. Vogt, Phys. Lett.,6(1963)79.
D.X. Li, Y. Haga, H. Shida, T. Suzuki, T.S. Kwon, G. Kido, J. Phys. Condens. Mater. 9 (1997) 10777
H. R. Child M. K Wilkinson, J. W. Cable, W. C. Koehler, E. O. Wollan, Phs. Rev. 131(1963)922.
The literature values are those described in the following literature:
O. Vogt, K. Matternberger, J. Alloys Comp. 223 (1995) 226
G. Busch, P. Junod, O. Vogt, Phys. Lett., 6 (1963) 79.
DX Li, Y. Haga, H. Shida, T. Suzuki, TS Kwon, G. Kido, J. Phys. Condens. Mater. 9 (1997) 10777
HR Child M. K Wilkinson, JW Cable, WC Koehler, EO Wollan, Phs. Rev. 131 (1963) 922.
更に、図14から明らかなように、二元系希土類元素窒化物に関して、キュリー温度Tcは、単体元素の窒化物同士の間(例えばGdNとDyNとの間)で組成X(希土類元素全モル数に対するGdのモル数の割合)に関してほぼ線形的または連続的にに変化している。これは、適切な組成を選択することで、適切な温度にてΔSが最大となる希土類元素窒化物を設計できることを意味し、そのような窒化物を磁気冷凍材料として使用する磁気冷凍システムを設計する上で自由度が高くなることを意味する。 Further, as is apparent from FIG. 14, for the binary rare earth element nitride, the Curie temperature Tc is the composition X (total number of rare earth elements) between single element nitrides (for example, between GdN and DyN). The ratio of the number of moles of Gd to the total). This means that by selecting an appropriate composition, it is possible to design a rare earth element nitride that maximizes ΔS at an appropriate temperature, and design a magnetic refrigeration system that uses such a nitride as a magnetic refrigeration material. This means that the degree of freedom is high.
尚、発明者らが求めたGdNのキュリー温度61KおよびDyNのキュリー温度21Kは、既に報告されているそれぞれのキュリー温度58−75Kおよび18K(D.X. Li, Y. Haga, H. Shida, T. Suzuki, T.S. Kwon, G. Kido, J. Phys. Condens. Mater. 9 (1997) 10777; G. Busch, J. Appl. Phys. 38 (1967) 1386;R.J. Gambino, T.R. McGuire, in: Processing of the 7th Rare Earth Research Conference, Coronado, CA, vol. 1, 1968, p.233; T.R. McGuire, R.J. Gambino, S.J. Pickart, J. Appl. Phys. 41 (1970) 933;およびP. Junod, F. Vevy, Phys. Lett. 23 (1966) 624参照)と合理的な範囲内で一致している。そのような一致も、発明者らが実施した希土類元素窒化物の製造、窒化物に関するデータの測定およびデータ処理が信頼性があることを意味する。 The Curie temperature 61K of GdN and the Curie temperature 21K of DyN determined by the inventors are the Curie temperatures 58-75K and 18K already reported (DX Li, Y. Haga, H. Shida, T. Suzuki). , TS Kwon, G. Kido, J. Phys. Condens. Mater. 9 (1997) 10777; G. Busch, J. Appl. Phys. 38 (1967) 1386; RJ Gambino, TR McGuire, in: Processing of the 7th Rare Earth Research Conference, Coronado, CA, vol. 1, 1968, p.233; TR McGuire, RJ Gambino, SJ Pickart, J. Appl. Phys. 41 (1970) 933; and P. Junod, F. Vevy, Phys Lett. 23 (1966) 624) is in a reasonable range. Such coincidence also means that the production of rare earth element nitrides, measurement of data relating to nitrides, and data processing performed by the inventors are reliable.
図5(a)に、DyNの試料に関して、5Tまでの磁場を印加した場合の磁化(M),Magnetization vs 温度(T),Temperatureの関係を示す(但し、Dy原子について正規化している)。ここでは、試料をある測定温度で一定に保ち、磁場を0Tから5Tまで断続的に上げていき、その時の磁化を測定している。また、一旦印可磁場を0Tにした後に、試料の温度を次の測定温度に上げた。測定温度範囲は5〜100Kである。尚、19K以上の温度では、残留磁気も保磁力も認められなかった。 FIG. 5A shows the relationship between magnetization (M), Magnetization vs. temperature (T), and Temperature when a magnetic field of up to 5T is applied to a DyN sample (however, Dy atoms are normalized). Here, the sample is kept constant at a certain measurement temperature, the magnetic field is intermittently raised from 0T to 5T, and the magnetization at that time is measured. Also, once the applied magnetic field was set to 0 T, the temperature of the sample was raised to the next measurement temperature. The measurement temperature range is 5 to 100K. Incidentally, at a temperature of 19 K or higher, neither residual magnetism nor coercive force was observed.
図5(a)のデータから上記式(3)を用いて数値計算を実施して磁気エントロピー変化(ΔS),Magnetic entropy changeを算出した。その結果を、図5(b)に示す。消磁する前に印加していた磁場の大きさに関係なく、磁気エントロピー変化(ΔS)vs温度(T)曲線は21〜23K付近にてピークを示す。即ち、そのような温度範囲において磁気エントロピー変化が最大となる。そのような温度をピーク温度と呼ぶ。 Numerical calculation was performed from the data of FIG. 5A using the above equation (3) to calculate a magnetic entropy change (ΔS) and a magnetic entropy change. The result is shown in FIG. Regardless of the magnitude of the magnetic field applied before degaussing, the magnetic entropy change (ΔS) vs. temperature (T) curve shows a peak around 21-23K. That is, the magnetic entropy change is maximized in such a temperature range. Such a temperature is called a peak temperature.
他の単体希土類金属元素の窒化物についても同様の測定を実施し、磁気エントロピー変化を算出した。その結果を、図5と同様に、図15〜図18に示す。尚、ピーク温度は、GdNでは53〜59K、TbNでは33〜36K、HoNでは13〜16K、ErNでは6〜7Kである。 Similar measurements were performed on nitrides of other simple rare earth metal elements, and the change in magnetic entropy was calculated. The results are shown in FIGS. 15 to 18 as in FIG. The peak temperatures are 53 to 59K for GdN, 33 to 36K for TbN, 13 to 16K for HoN, and 6 to 7K for ErN.
いずれの結果からも磁場によってピーク温度はほとんど変化しないことがわかる。また、磁場が強いほどピークの半値幅が広がっていることが示されている。このことは、磁気冷凍材料として、より高い磁場を消磁した場合に、より広い温度範囲で高い磁気熱量効果が得られることを表している。 Both results show that the peak temperature hardly changes with the magnetic field. Moreover, it is shown that the half-value width of the peak is wider as the magnetic field is stronger. This indicates that when a higher magnetic field is demagnetized as a magnetic refrigeration material, a high magnetocaloric effect can be obtained in a wider temperature range.
図5より、DyNは、2T未満の磁場を消磁する場合10〜33K、好ましくは15〜30K、より好ましくは18〜27Kの温度範囲で、2T以上3T未満の磁場を消磁する場合には10〜39K、好ましくは12〜33K,より好ましくは18〜28Kの温度範囲で、3T以上4T未満の磁場から消磁する場合には10〜56K、好ましくは10〜42K、より好ましくは14〜38Kの温度範囲で、4T以上5T未満の磁場を消磁した場合は10〜64K、好ましくは10〜52K、より好ましくは13〜42Kの温度範囲で、5T以上の磁場を消磁する場合は10〜80K、好ましくは10〜64K、より好ましくは13〜52Kの温度範囲で磁気冷凍物質として効率的に作動することがわかる。 From FIG. 5, DyN is 10 to 33K when demagnetizing a magnetic field less than 2T, preferably 15 to 30K, more preferably 18 to 27K, and 10 to 10 when demagnetizing a magnetic field of 2T or more and less than 3T. 39K, preferably 12-33K, more preferably 18-28K. When demagnetizing from a magnetic field of 3T or more and less than 4T, the temperature range is 10-56K, preferably 10-42K, more preferably 14-38K. When demagnetizing a magnetic field of 4T or more and less than 5T, it is 10 to 64K, preferably 10 to 52K, more preferably 13 to 42K. When demagnetizing a magnetic field of 5T or more, 10 to 80K, preferably 10 It can be seen that it operates efficiently as a magnetic refrigeration material in a temperature range of ~ 64K, more preferably 13-52K.
図15より、GdNは、2T未満の磁場を消磁する場合32〜71K、好ましくは38〜68K、より好ましくは42〜64Kの温度範囲で、2T以上3T未満の磁場を消磁する場合には29〜84K、好ましくは32〜70K、より好ましくは42〜64Kの温度範囲で、3T以上4T未満の磁場から消磁する場合には29〜84K、好ましくは32〜70K、より好ましくは42〜64Kの温度範囲で、4T以上5T未満の磁場を消磁した場合も29〜84K、好ましくは32〜70K、より好ましくは42〜64Kの温度範囲で、5T以上の磁場を消磁する場合でも29〜84K、好ましくは32〜70K、より好ましくは42〜64Kの温度範囲で磁気冷凍物質として効率的に作動することがわかる。 From FIG. 15, GdN has a temperature range of 32 to 71K, preferably 38 to 68K, more preferably 42 to 64K when demagnetizing a magnetic field of less than 2T, and 29 to 29 when demagnetizing a magnetic field of 2T or more and less than 3T. 84K, preferably 32 to 70K, more preferably 42 to 64K. When demagnetizing from a magnetic field of 3T or more and less than 4T, the temperature range is 29 to 84K, preferably 32 to 70K, more preferably 42 to 64K. Even when a magnetic field of 4T or more and less than 5T is demagnetized, even when a magnetic field of 5T or more is demagnetized in a temperature range of 29 to 84K, preferably 32 to 70K, more preferably 42 to 64K, it is 29 to 84K, preferably 32. It can be seen that it operates efficiently as a magnetic refrigeration material in a temperature range of ~ 70K, more preferably 42-64K.
図16より、TbNは、2T未満の磁場を消磁する場合20〜43K、好ましくは22〜41K、より好ましくは28〜35Kの温度範囲で、2T以上3T未満の磁場を消磁する場合には18〜52K、好ましくは20〜49K、より好ましくは28〜40Kの温度範囲で、3T以上4T未満の磁場から消磁する場合には18〜56K、好ましくは20〜52K,より好ましくは24〜45Kの温度範囲で、4T以上5T未満の磁場を消磁した場合は18〜67K、好ましくは20〜62K、より好ましくは24〜51Kの温度範囲で、5T以上の磁場を消磁する場合では18〜75K、好ましくは20〜68K、より好ましくは22〜61Kの温度範囲で磁気冷凍物質として効率的に作動することがわかる。 From FIG. 16, TbN is 20 to 43K when demagnetizing a magnetic field of less than 2T, preferably 22 to 41K, more preferably 28 to 35K, and 18 to less than 2T to 3T. When degaussing from a magnetic field of 3T or more and less than 4T in a temperature range of 52K, preferably 20-49K, more preferably 28-40K, a temperature range of 18-56K, preferably 20-52K, more preferably 24-45K. When demagnetizing a magnetic field of 4T or more and less than 5T, it is 18 to 67K, preferably 20 to 62K, more preferably 24 to 51K. When demagnetizing a magnetic field of 5T or more, 18 to 75K, preferably 20 It can be seen that it operates efficiently as a magnetic refrigeration material in a temperature range of ~ 68K, more preferably 22-61K.
図17より、HoNは、2T未満の磁場を消磁する場合6〜28K、好ましくは6〜22K、より好ましくは10〜18Kの温度範囲で、2T以上3T未満の磁場を消磁する場合には6〜37K、好ましくは6〜24K、より好ましくは10〜21Kの温度範囲で、3T以上4T未満の磁場から消磁する場合には6〜52K、好ましくは6〜30K、より好ましくは8〜27Kの温度範囲で、4T以上5T未満の磁場を消磁した場合は6〜57K、好ましくは6〜42K、より好ましくは6〜35Kの温度範囲で、5T以上の磁場を消磁する場合では6〜65K、好ましくは6〜51K,より好ましくは6〜42Kの温度範囲で磁気冷凍物質として効率的に作動することがわかる。 From FIG. 17, HoN has a temperature range of 6 to 28K, preferably 6 to 22K, more preferably 10 to 18K when demagnetizing a magnetic field of less than 2T, and 6 to 6 when demagnetizing a magnetic field of 2T or more and less than 3T. When degaussing from a magnetic field of 3T or more and less than 4T in a temperature range of 37K, preferably 6-24K, more preferably 10-21K, a temperature range of 6-52K, preferably 6-30K, more preferably 8-27K. In the case of demagnetizing a magnetic field of 4T or more and less than 5T, it is 6 to 57K, preferably 6 to 42K, more preferably 6 to 35K. In the case of demagnetizing a magnetic field of 5T or more, 6 to 65K, preferably 6 It can be seen that it operates efficiently as a magnetic refrigeration material in a temperature range of ~ 51K, more preferably 6-42K.
図18より、ErNは、2T未満の磁場を消磁する場合2〜15K、好ましくは2〜12K、より好ましくは2〜10Kの温度範囲で、2T以上3T未満の磁場を消磁する場合には2〜28K、好ましくは2〜20K,より好ましくは2〜15Kの温度範囲で、3T以上4T未満の磁場から消磁する場合には2〜34K、好ましくは2〜25K、より好ましくは2〜18Kの温度範囲で、4T以上5T未満の磁場を消磁した場合は2〜42K、好ましくは2〜32K、より好ましくは2〜20Kの温度範囲で、5T以上の磁場を消磁する場合では2〜48K、好ましくは2〜35K、より好ましくは2〜22Kの温度範囲で磁気冷凍物質として効率的に作動することがわかる。 From FIG. 18, ErN is 2 to 15 K when demagnetizing a magnetic field of less than 2T, preferably 2 to 12 K, more preferably 2 to 10 K when demagnetizing a magnetic field of 2 T or more and less than 3 T in a temperature range of 2 to 10 K. When demagnetizing from a magnetic field of 3T or more and less than 4T in a temperature range of 28K, preferably 2 to 20K, more preferably 2 to 15K, a temperature range of 2 to 34K, preferably 2 to 25K, more preferably 2 to 18K. When demagnetizing a magnetic field of 4T or more and less than 5T, the temperature range is 2 to 42K, preferably 2 to 32K, more preferably 2 to 20K, and when demagnetizing a magnetic field of 5T or more, 2 to 48K, preferably 2 It can be seen that it operates efficiently as a magnetic refrigeration material in the temperature range of ~ 35K, more preferably 2-22K.
同様の処理を実施して、種々のXの希土類元素窒化物Gd−DyNについて図5と同様のグラフを得た。その中から、X=0.5(Gd0.5Dy0.5N)の場合についての結果を、例として図6に示す(但し、希土類元素について正規化している)。この場合、図5の場合と非常に類似しているが、磁気エントロピー変化(ΔS)vs温度(T)曲線は約40K付近にピークを有する。 Similar processing was performed, and the same graph as FIG. 5 was obtained for various rare earth element nitrides Gd-DyN of X. Among them, the result in the case of X = 0.5 (Gd 0.5 Dy 0.5 N) is shown as an example in FIG. 6 (however, the rare earth element is normalized). In this case, although very similar to the case of FIG. 5, the magnetic entropy change (ΔS) vs. temperature (T) curve has a peak in the vicinity of about 40K.
図6より、Gd0.5Dy0.5Nは、2T未満の磁場を消磁する場合22〜58K、好ましくは26〜52K、より好ましくは27〜45Kの温度範囲で、2T以上3T未満の磁場を消磁する場合には20〜60K、好ましくは25〜56K,より好ましくは29〜51Kの温度範囲で、3T以上4T未満の磁場から消磁する場合には16〜68K、好ましくは20〜41K、より好ましくは27〜55Kの温度範囲で、4T以上5T未満の磁場を消磁した場合は10〜71K、好ましくは18〜64K、より好ましくは22〜58Kの温度範囲で、5T以上の磁場を消磁する場合では8〜74K、好ましくは17〜64K、より好ましくは20〜60Kの温度範囲で磁気冷凍物質として効率的に作動することがわかる。 From FIG. 6, Gd 0.5 Dy 0.5 N is a magnetic field of 2T or more and less than 3T in a temperature range of 22 to 58K, preferably 26 to 52K, more preferably 27 to 45K when demagnetizing a magnetic field of less than 2T. When degaussing from 20 to 60K, preferably 25 to 56K, more preferably 29 to 51K, and when demagnetizing from a magnetic field of 3T or more and less than 4T, 16 to 68K, preferably 20 to 41K. Preferably when demagnetizing a magnetic field of 4T or more and less than 5T in a temperature range of 27 to 55K, demagnetizing a magnetic field of 5T or more in a temperature range of 10 to 71K, preferably 18 to 64K, more preferably 22 to 58K Thus, it can be seen that the magnetic refrigeration material operates efficiently in a temperature range of 8 to 74K, preferably 17 to 64K, and more preferably 20 to 60K.
他の二元系(Gd−TbNおよびHo−TbN、X=0.5)の窒化物についての同様の測定および算出の結果を、図19および図20に示す。図19では、磁気エントロピー変化(ΔS)vs温度(T)曲線は約44〜46K付近にピークを有し、図20では、磁気エントロピー変化(ΔS)vs温度(T)曲線は約23〜26K付近にピークを有する。 Similar measurement and calculation results for nitrides of other binary systems (Gd-TbN and Ho-TbN, X = 0.5) are shown in FIGS. In FIG. 19, the magnetic entropy change (ΔS) vs. temperature (T) curve has a peak around 44 to 46K, and in FIG. 20, the magnetic entropy change (ΔS) vs. temperature (T) curve is around 23 to 26K. Have a peak.
図19より、Gd0.5Tb0.5Nは、2T未満の磁場を消磁する場合22〜62K、好ましくは28〜58K、より好ましくは35〜54Kの温度範囲で、2T以上3T未満の磁場を消磁する場合には18〜72K、好ましくは23〜65K、より好ましくは30〜60Kの温度範囲で、3T以上4T未満の磁場から消磁する場合には16〜77K、好ましくは20〜70K,より好ましくは27〜65Kの温度範囲で、4T以上5T未満の磁場を消磁した場合は12〜82K、好ましくは19〜73K、より好ましくは24〜68Kの温度範囲で、5T以上の磁場を消磁する場合では10〜84K、好ましくは18〜80K,より好ましくは25〜70Kの温度範囲で磁気冷凍物質として効率的に作動することがわかる。 From FIG. 19, Gd 0.5 Tb 0.5 N is a magnetic field of 2T or more and less than 3T in a temperature range of 22 to 62K, preferably 28 to 58K, more preferably 35 to 54K when demagnetizing a magnetic field of less than 2T. Is demagnetized, it is 18 to 72K, preferably 23 to 65K, more preferably 30 to 60K. Demagnetizing from a magnetic field of 3T or more and less than 4T is 16 to 77K, preferably 20 to 70K. When demagnetizing a magnetic field of 4T or more and less than 5T, preferably in a temperature range of 27 to 65K, when demagnetizing a magnetic field of 5T or more in a temperature range of 12 to 82K, preferably 19 to 73K, more preferably 24 to 68K. It can be seen that the magnetic refrigeration material operates efficiently in the temperature range of 10 to 84K, preferably 18 to 80K, more preferably 25 to 70K.
図20より、Ho0.5Tb0.5Nは、2T未満の磁場を消磁する場合7〜38K、好ましくは7〜33K、より好ましくは12〜28Kの温度範囲で、2T以上3T未満の磁場を消磁する場合には7〜48K、好ましくは7〜42K、より好ましくは10〜33Kの温度範囲で、3T以上4T未満の磁場から消磁する場合には7〜52K、好ましくは7〜46K,より好ましくは7〜40Kの温度範囲で、4T以上5T未満の磁場を消磁した場合は7〜60K、好ましくは7〜52K,より好ましくは7〜43Kの温度範囲で、5T以上の磁場を消磁する場合では7〜66K、好ましくは7〜56K、より好ましくは7〜48Kの温度範囲で磁気冷凍物質として効率的に作動することがわかる。 From FIG. 20, Ho 0.5 Tb 0.5 N is a magnetic field of 2T or more and less than 3T in a temperature range of 7 to 38K, preferably 7 to 33K, more preferably 12 to 28K when demagnetizing a magnetic field of less than 2T. When degaussing from 7 to 48K, preferably 7 to 42K, more preferably 10 to 33K, and when demagnetizing from a magnetic field of 3T or more and less than 4T, 7 to 52K, preferably 7 to 46K. When demagnetizing a magnetic field of 4T or more and less than 5T, preferably in a temperature range of 7-40K, and demagnetizing a magnetic field of 5T or more in a temperature range of 7-60K, preferably 7-52K, more preferably 7-43K It can be seen that the magnetic refrigeration material operates efficiently in a temperature range of 7 to 66K, preferably 7 to 56K, more preferably 7 to 48K.
組成Xを変えた全ての試料について、5Tから消磁したときの2元系希土類元素窒化物(GdXDy1−XN、GdXTb1−XN、HoXTb1−XN)の磁気エントロピー変化(ΔS)を算出し、これを温度の関数とし図7、図21および図22に示す。組成Xが変化するにつれて、温度に対するΔSの曲線がスムーズに変化していることがわかる。これは、いずれの窒化物についても組成Xを変えることによって、ΔSのピーク温度をコントロールすることができることを意味する。また、いずれの組成でもピーク付近のΔSの値は大きく、磁気冷凍材料として適していることがわかる。 For all samples with different composition X, 2-way system rare earth nitrides when demagnetized from 5T (Gd X Dy 1-X N, Gd X Tb 1-X N, Ho X Tb 1-X N) magnetic The entropy change (ΔS) is calculated and shown as a function of temperature in FIGS. 7, 21 and 22. It can be seen that the ΔS curve with respect to temperature changes smoothly as the composition X changes. This means that the peak temperature of ΔS can be controlled by changing the composition X for any nitride. Moreover, it can be seen that ΔS near the peak is large in any composition and is suitable as a magnetic refrigeration material.
この結果から、GdXDy1−XN(0≦X≦1)は、約20K〜約80Kの温度範囲において、相転移温度を有し、また、相転移温度付近におけるエントロピー変化ΔSは約100〜約150kJK−1m−3と相当大きく、従って、約20K〜約80Kの低温を得るための磁気冷凍材料と使用できることが理解できる。また、GdXTb1−XN(0≦X≦1)は、約25K〜約80Kの温度範囲において、相転移温度を有し、また、相転移温度付近におけるエントロピー変化ΔSは約100〜約200kJK−1m−3と相当大きく、従って、約25K〜約80Kの低温を得るための磁気冷凍材料と使用できることが理解できる。更に、HoXTb1−XN(0≦X≦1)は、約10K〜約50Kの温度範囲において、相転移温度を有し、また、相転移温度付近におけるエントロピー変化ΔSは約150〜約300kJK−1m−3と相当大きく、従って、約10K〜約50Kの低温を得るための磁気冷凍材料と使用できることが理解できる。 From this result, Gd X Dy 1-X N (0 ≦ X ≦ 1) has a phase transition temperature in the temperature range of about 20 K to about 80 K, and the entropy change ΔS near the phase transition temperature is about 100. It can be seen that it can be used with a magnetic refrigeration material to obtain a low temperature of about 20K to about 80K, which is quite large, up to about 150 kJK-1m - 3 . Gd X Tb 1-X N (0 ≦ X ≦ 1) has a phase transition temperature in the temperature range of about 25 K to about 80 K, and the entropy change ΔS near the phase transition temperature is about 100 to about It can be seen that it can be used with a magnetic refrigeration material to obtain a low temperature of about 25K to about 80K, which is considerably large as 200 kJK-1m - 3 . Further, Ho X Tb 1-X N (0 ≦ X ≦ 1) has a phase transition temperature in the temperature range of about 10K to about 50K, and the entropy change ΔS near the phase transition temperature is about 150 to about It can be seen that it can be used with a magnetic refrigeration material to obtain a low temperature of about 10K to about 50K, as large as 300 kJK-1m - 3 .
また、図7は、GdXDy1−XNにおいて、温度Tが29K以下ではX≦0.1の組成が、29K≦T≦42Kでは好ましい組成として0.1≦X≦0.3が、37K≦T≦49Kでは好ましい組成として0.3≦X≦0.5が、43K≦T≦48Kでは好ましい組成として0.5≦X≦0.7が、48K≦Tでは0.5≦Xが磁気冷凍材料として適していることを示している。 FIG. 7 shows that in Gd X Dy 1-X N, the composition of X ≦ 0.1 when the temperature T is 29K or less, and 0.1 ≦ X ≦ 0.3 as the preferable composition when 29K ≦ T ≦ 42K, In 37K ≦ T ≦ 49K, 0.3 ≦ X ≦ 0.5 is preferable as a composition, 0.5 ≦ X ≦ 0.7 is preferable in 43K ≦ T ≦ 48K, and 0.5 ≦ X is satisfied in 48K ≦ T. It shows that it is suitable as a magnetic refrigeration material.
更に、図21よりGdXTb1−XNにおいて、温度Tが43K以下ではX≦0.25の組成が、43K≦X≦50Kでは好ましい組成として0.25≦X≦0.5、50K≦T≦62Kでは好ましい組成として0.5≦X≦0.75、62K≦Tにおいては0.75≦Xが磁気冷凍材料として優れていることがわかる。 Furthermore, from FIG. 21, in Gd X Tb 1-X N, when the temperature T is 43K or less, the composition of X ≦ 0.25 is preferred, and when 43K ≦ X ≦ 50K, 0.25 ≦ X ≦ 0.5, 50K ≦ It can be seen that 0.5 ≦ X ≦ 0.75 is preferable as a composition at T ≦ 62K, and 0.75 ≦ X is excellent as a magnetic refrigeration material at 62K ≦ T.
加えて、図22からHoXTb1−XNにおいて、温度Tが26K以下であれば、X≦0.25の組成が、T=29±2Kの範囲では特に0.25≦X≦0.75の組成が、それ以上の温度では0.75≦Xの組成が磁気冷凍材料として適していることがわかる。 In addition, in FIG. 22, in Ho X Tb 1-X N, if the temperature T is 26K or less, the composition of X ≦ 0.25 is particularly 0.25 ≦ X ≦ 0. It can be seen that a composition of 0.75 ≦ X is suitable as a magnetic refrigeration material at a temperature of 75 or higher.
尚、図7、図21および図22のピーク温度は、図14のグラフにおいても白抜き記号(◇、△または□)で示している。図14から明らかなように、ピーク温度とキュリー温度とは十分に一致している。このことは、組成Xを変えることによって、ピーク温度を変えることができる、従って、複数の希土類元素の窒化物の場合、希土類元素の組成を変えることによって、種々の温度特性(特に、最も大きいΔSを示す温度、即ち、ピーク温度)を有する希土類元素窒化物を得ることができることを意味する。 The peak temperatures in FIGS. 7, 21, and 22 are also indicated by white symbols (記号, Δ, or □) in the graph of FIG. As is clear from FIG. 14, the peak temperature and the Curie temperature are in good agreement. This is because the peak temperature can be changed by changing the composition X. Therefore, in the case of nitrides of a plurality of rare earth elements, various temperature characteristics (especially the largest ΔS) can be changed by changing the composition of the rare earth elements. This means that a rare-earth element nitride having a temperature indicating (that is, a peak temperature) can be obtained.
これは、組成Xを変えるだけで、異なるピーク温度を有する磁気冷凍材料を得ることができる、即ち、ピーク温度を組成Xによってコントロールできる利点があることを意味する。ピーク温度付近においては、磁気エントロピー変化ΔSの絶対値が大きく、従って、磁気エントロピー変化によって磁気冷凍材料が吸収する熱量および放出する熱量が大きいので、そのような温度付近において磁気冷凍材料を作動させるのが最も効率的である。よって、窒化物における希土類元素の組成Xを適切に選択することによって所望のピーク温度を有する希土類元素窒化物を得ることができ、その結果、種々の異なる組成で希土類元素を含む窒化物を用いて種々の低温を効率的に得ることができる。 This means that only by changing the composition X, magnetic refrigeration materials having different peak temperatures can be obtained, that is, the peak temperature can be controlled by the composition X. In the vicinity of the peak temperature, the absolute value of the magnetic entropy change ΔS is large. Therefore, the amount of heat absorbed and released by the magnetic refrigeration material is large due to the magnetic entropy change. Is the most efficient. Therefore, a rare earth element nitride having a desired peak temperature can be obtained by appropriately selecting the rare earth element composition X in the nitride, and as a result, using the nitride containing the rare earth element in various different compositions. Various low temperatures can be obtained efficiently.
磁場を5Tから0Tに変化させる場合、本発明の希土類元素窒化物の磁気エントロピー変化ΔSの最も大きい値、即ち、ピーク温度におけるΔSは、図5から分かるように、DyNの場合で3.0JK−1mol−1である。下記の表1に、この値を、20〜70Kの範囲に転移温度を有する既知の物質のΔSと共に示している。尚、既知の物質の値は、レポートされているΔS対T曲線(T. Hashimoto, K. Matsumoto, T. Kurihara, T. Numazawa, A. Tomokiyo, H. Hayama, T. Goto, S. Todo, M. Sahashi, Adv. Cryog. Eng. 32 (1986) 279; A. Tomokiyo, H. Yayama, H. Wakabayashi, T. Kuzuhara, T. Hashimoto, M. Sahashi, I. Inomata, Adv. Cryog. Eng.32 (1986) 295;およびH. Wada, S. Tomekawa, M. Shiga, Cryogenics 39 (1999) 915参照)から発明者らが求めた。ΔSについて3種の単位で示すが、この換算はそれぞれの物質の格子定数に基づく。GdN、TbN, HoN,ErN,Gd-DyN系、Gd-TbN系、Ho-TbN系についても、表1に示す。 When the magnetic field is changed from 5T to 0T, the largest value of the magnetic entropy change ΔS of the rare earth element nitride of the present invention, that is, ΔS at the peak temperature is 3.0 JK − in the case of DyN, as can be seen from FIG. 1 mol −1 . Table 1 below shows this value along with ΔS for known materials having a transition temperature in the range of 20-70K. The values of known substances are reported in the ΔS vs. T curve (T. Hashimoto, K. Matsumoto, T. Kurihara, T. Numazawa, A. Tomokiyo, H. Hayama, T. Goto, S. Todo, M. Sahashi, Adv. Cryog. Eng. 32 (1986) 279; A. Tomokiyo, H. Yayama, H. Wakabayashi, T. Kuzuhara, T. Hashimoto, M. Sahashi, I. Inomata, Adv. Cryog. Eng. 32 (1986) 295; and H. Wada, S. Tomekawa, M. Shiga, Cryogenics 39 (1999) 915). Although ΔS is shown in three types of units, this conversion is based on the lattice constant of each substance. Table 1 also shows GdN, TbN, HoN, ErN, Gd-DyN systems, Gd-TbN systems, and Ho-TbN systems.
表1から分かるように、本発明の希土類元素窒化物は、単位JK−1mol−1の場合では、他の物質より大きくないが、単位JK−1m−3の場合では、いくらかの他の物質とは同等またはそれ以上である。これは、先に述べたように、本発明の希土類元素窒化物が大きい密度を有することによるものである。従って、安定である窒化物であることを考慮すると、本発明の希土類元素窒化物は、既知の磁気冷凍材料より有用なものであり、特に、水素を液化する場合については、水素脆化の問題もないことから、非常に有用な磁気冷凍材料として使用できる。 As can be seen from Table 1, the rare earth nitride of the present invention is not larger than the other materials in the case of the unit JK −1 mol −1 , but in the case of the unit JK −1 m −3 , some other A substance is equivalent or better. This is due to the fact that the rare earth element nitride of the present invention has a large density, as described above. Therefore, considering the fact that it is a stable nitride, the rare earth element nitride of the present invention is more useful than known magnetic refrigeration materials, particularly when hydrogen is liquefied, the problem of hydrogen embrittlement. Therefore, it can be used as a very useful magnetic refrigeration material.
図8に、単体希土類元素窒化物の磁気エントロピー変化(ΔS)対温度(T)の関係をまとめて示す。図8では、磁場を5Tから0Tに変化させた場合の結果を示している。 FIG. 8 summarizes the relationship between magnetic entropy change (ΔS) and temperature (T) of a simple rare earth element nitride. FIG. 8 shows the result when the magnetic field is changed from 5T to 0T.
図8から明らかなように、希土類元素の窒化物のピーク温度における磁気エントロピー変化は、いずれも大きく、特に、HoN、TbNおよびErNのピーク温度における磁気エントロピー変化はGdNまたはDyNの磁気エントロピー変化よりも相当大きい。また、二元系希土類窒化物の磁気エントロピー変化も相当大きく、特に、Gd−TbNおよびHo−TbNについては、かなり大きい。 As is apparent from FIG. 8, the magnetic entropy change at the peak temperature of the rare earth element nitride is large, and in particular, the magnetic entropy change at the peak temperatures of HoN, TbN, and ErN is larger than the magnetic entropy change of GdN or DyN. Quite big. In addition, the magnetic entropy change of the binary rare earth nitride is also quite large, particularly for Gd-TbN and Ho-TbN.
また、先に説明したGdとDyとの類似性、および他の希土類元素窒化物のエントロピー変化ΔSがGdNおよびDyNよりはるかに大きいことを考慮すると、これらの別の希土類元素についても、その固溶体が、それを構成する単一の元素の窒化物のピーク温度の間の温度において磁気冷凍材料として使用できる程度のエントロピー変化を有することがこのことからも理解できる。 Also, considering the similarities between Gd and Dy described above and the entropy change ΔS of other rare earth nitrides being much larger than GdN and DyN, these other rare earth elements also have their solid solutions It can also be seen from this that it has an entropy change that can be used as a magnetic refrigeration material at temperatures between the peak temperatures of the single elemental nitrides that comprise it.
従って、上述のGdおよびDyについての類似性、GdN、DyNおよびGdXDy1−XNの磁気測定データ、そのデータから求めた磁気エントロピー変化およびピーク温度、他の希土類元素の窒化物の磁気エントロピー変化およびピーク温度を考慮すると、いずれの1種または複数の希土類元素の窒化物についても、有用な磁気冷凍材料として使用できることが分かり、このことは、GdN、TbNおよびGdXTb1−XNの磁気測定データ、ならびにHoN、TbNおよびHoXTb1−XNの磁気測定データ、そして、これらのデータを用いて評価した磁気エントロピー変化およびピーク温度等によっても裏付けられるものである。 Therefore, the similarity of Gd and Dy described above, GdN, DyN and Gd X Dy 1-X N magnetic measurement data, magnetic entropy change and peak temperature obtained from the data, magnetic entropy of other rare earth nitrides Considering the change and peak temperature, it can be seen that any one or more rare earth nitrides can be used as a useful magnetic refrigeration material, indicating that GdN, TbN and Gd X Tb 1-X N This is supported by the magnetic measurement data, the magnetic measurement data of HoN, TbN, and Ho X Tb 1-X N, and the magnetic entropy change and peak temperature evaluated using these data.
(比熱の測定)
(1)TbN、DyN、HoN、ErNの試料の製造
Tb、Dy、HoおよびErの金属片(純度:各99.9%;寸法:約1mm×1mm×0.1mm)を140MPaの高純度窒素ガス雰囲気中(純度99.9999%)で1600℃にて加熱(加熱時間:2時間)するHot Isostatic press(HIP)法によりTbN、DyN、HoN、ErNの試料片を製造した。HIP法には神戸製鋼所製の加熱装置O2―Dr.HIPを使用した。
(Measurement of specific heat)
(1) Manufacture of TbN, DyN, HoN, and ErN samples Tb, Dy, Ho, and Er metal pieces (purity: 99.9% each; dimensions: about 1 mm × 1 mm × 0.1 mm) high purity nitrogen of 140 MPa Sample pieces of TbN, DyN, HoN, and ErN were manufactured by a Hot Isostatic press (HIP) method in which heating was performed at 1600 ° C. in a gas atmosphere (purity 99.9999%) (heating time: 2 hours). In the HIP method, a heating device O2-Dr. HIP was used.
得られた各窒化物試料のX線回折パターンの測定結果を、図1と同様に図23に示す。図1と比較するとわかるように、得られた各窒化物試料の回折パターンは、炭素熱還元法で得られた窒化物の回折パターンと同等である。これは、HIP法によって単相の窒化物が合成できたことを意味すると共に、炭素熱還元法でも余剰の炭素の影響を実質的に受けずに希土類窒化物が合成できていることを裏付けるとも言える。 The measurement result of the X-ray diffraction pattern of each nitride sample obtained is shown in FIG. 23 as in FIG. As can be seen from comparison with FIG. 1, the diffraction pattern of each obtained nitride sample is equivalent to the diffraction pattern of the nitride obtained by the carbothermal reduction method. This means that a single-phase nitride could be synthesized by the HIP method, and that it was confirmed that the rare-earth nitride could be synthesized without being substantially affected by excess carbon even by the carbothermal reduction method. I can say that.
(2)窒化物試料の比熱測定
HIP法で得た各試料の比熱を、Oxford Instruments社のHeat Capacity Systemを用いて、無磁場雰囲気中および5Tの磁場雰囲気中で測定した。測定温度範囲は、TbNについては2〜70K、DyNについては2〜43K、HoNについては2〜40K、ErNについては2〜25Kとした。最初に、無磁場雰囲気中で高温側から始めて2Kまで各温度にて比熱を測定し、再度温度を上げた後、5Tの磁場をかけて2Kまで、各温度にて比熱を測定した。それぞれの比熱測定の結果を図24〜図27に示す。これらの図面において、縦軸は比熱C(Specific heat)であり、横軸は温度である。
(2) Specific heat measurement of nitride sample The specific heat of each sample obtained by the HIP method was measured in a magnetic field atmosphere and a 5T magnetic field atmosphere using Heat Capacity System of Oxford Instruments. The measurement temperature ranges were 2 to 70K for TbN, 2 to 43K for DyN, 2 to 40K for HoN, and 2 to 25K for ErN. First, the specific heat was measured at each temperature up to 2K, starting from the high temperature side in a non-magnetic field atmosphere. After raising the temperature again, the specific heat was measured at each temperature up to 2K by applying a magnetic field of 5T. The result of each specific heat measurement is shown in FIGS. In these drawings, the vertical axis represents specific heat C (specific heat), and the horizontal axis represents temperature.
これらの測定結果を、ヘリウムおよび現在蓄冷材料として使用されているPb、Er3Niの比熱と共に図28にまとめて示す。図28から明らかなように、これらの希土類金属窒化物の比熱が非常に大きく、現在使用されている蓄冷材料として使用されている材料と同等またはそれ以上の蓄冷能力を有することが分かる。従って、このような窒化物は、非常に蓄冷能力が大きい蓄冷材料として使用することができる。尚、蓄冷材料とは、低温発生装置(例えば冷凍機)の内部で作動流体(例えばヘリウムガス)と十分な熱交換を行い一時的に熱を蓄えておく役割を担っている材料で、低温を保持するための熱シンクであり、大きい体積比熱と高い熱伝導率を有することが求められる。特に20K以下の極低温領域では、蓄冷材料の性能が冷凍機の冷凍効率に著しい影響をもたらす。この機能を有する材料は蓄冷材とも呼ばれ、これらの事項は周知である。 These measurement results are shown together in FIG. 28 together with specific heats of helium and Pb and Er 3 Ni currently used as cold storage materials. As is clear from FIG. 28, it can be seen that these rare earth metal nitrides have a very large specific heat and have a cold storage capacity equal to or higher than that of the materials used as the cold storage materials currently used. Therefore, such a nitride can be used as a cold storage material having a very large cold storage capacity. The cold storage material is a material that has a role of temporarily storing heat by sufficiently exchanging heat with a working fluid (for example, helium gas) inside a low temperature generator (for example, a refrigerator). It is a heat sink for holding, and is required to have a large volume specific heat and high thermal conductivity. Particularly in the cryogenic region of 20K or less, the performance of the cold storage material has a significant effect on the refrigeration efficiency of the refrigerator. A material having this function is also called a cold storage material, and these matters are well known.
(3)絶対エントロピーの算出
温度に対する比熱の値がわかっている場合、
に基づいて絶対エントロピーを算出できる。そこで、図24〜図27に示す比熱(CH)vs温度(T)データを用いて積分すると、H=0TおよびH=5Tの場合の絶対エントロピーを算出できる。そのように算出した絶対エントロピーを図29〜図32黒塗り記号で示す(図面中、縦軸は絶対エントロピー(Entropy S)であり、横軸は絶対温度(Temperature)である)。尚、測定した最低温度2K以下の比熱は、デバイの比熱則に従うとして、T3に比例すると仮定して算出している。
(3) Calculation of absolute entropy When the value of specific heat with respect to temperature is known,
Based on the absolute entropy can be calculated. Therefore, by integrating using the specific heat (C H ) vs. temperature (T) data shown in FIGS. 24 to 27, the absolute entropy when H = 0T and H = 5T can be calculated. The absolute entropy calculated in this manner is indicated by black symbols in FIGS. 29 to 32 (in the drawing, the vertical axis is absolute entropy (Entropy S) and the horizontal axis is absolute temperature (Temperature)). Incidentally, the lowest temperature 2K following specific heat measured as follow Debye specific heat law, is calculated by assuming that proportional to T 3.
ところで、無磁場中の絶対エントロピーS0とある磁場Hでの絶対エントロピーSHとの差から磁気エントロピー変化ΔSを次式によって算出することができる:
他方、先に式(1)〜(3)を参照して説明したように、ΔSは磁化測定からも算出できる。従って、比熱測定によってS0(T)がわかれば、磁化測定から求めたΔSを用いて、各磁場Hでの絶対エントロピーSHを求めることができる
その結果を、図29〜図32に白抜き記号で示す。そして、各磁場でのSHが求まれば、式(4)を温度Tで微分することによって、ある磁場Hでの比熱CH(T)を以下のように求めることができる:
このようにして、他の磁場雰囲気中における比熱を求め、その結果を図33〜図36に示す。この結果から、希土類元素窒化物は、磁場による影響を受ける場合であっても、比熱の低下はそれほど大きくない。従って、このような窒化物を磁場雰囲気中で使用しても、蓄冷材としての機能を十分に果たすことが分かる。 Thus, the specific heat in another magnetic field atmosphere was calculated | required and the result is shown in FIGS. From this result, even when the rare earth element nitride is affected by the magnetic field, the decrease in specific heat is not so great. Therefore, it can be seen that even when such a nitride is used in a magnetic field atmosphere, it sufficiently functions as a cold storage material.
図37に、先に説明した比熱の測定結果から式(5)に基づいて算出した希土類窒化物の磁気エントロピー変化を示す。尚、これは、磁場を5Tから消磁した時の値である。絶対値については多少の誤差があるものの、ピーク温度については、図8に示す、磁化測定から評価した、希土類窒化物を5Tから消磁した時に生じる磁気エントロピー変化の温度依存性と非常によく一致している。 FIG. 37 shows the magnetic entropy change of the rare earth nitride calculated based on the formula (5) from the specific heat measurement result described above. This is the value when the magnetic field is demagnetized from 5T. Although there are some errors in absolute values, the peak temperature is in good agreement with the temperature dependence of the magnetic entropy change that occurs when the rare earth nitride is demagnetized from 5T, as shown in FIG. ing.
先に説明したように、磁気エントロピー変化と比熱のデータから、任意の磁場中での比熱を再現できることに鑑みて、2元系窒化物の磁気エントロピー変化が連続的に変化する事実に基づけが、二元系希土類窒化物の比熱も二元系と組成に対応して連続的に変化すると考えられる。従って、単体希土類窒化物のみならず、二元系希土類窒化物も有効な蓄冷材として使用できる。 As explained above, based on the fact that the specific heat in an arbitrary magnetic field can be reproduced from the magnetic entropy change and specific heat data, the fact that the magnetic entropy change of the binary nitride continuously changes is based on the fact that It is considered that the specific heat of the binary rare earth nitride also changes continuously corresponding to the binary system and the composition. Therefore, not only a simple rare earth nitride but also a binary rare earth nitride can be used as an effective cold storage material.
従って、本発明は、MN
組成式:MN(式中、Mは1またはそれ以上の希土類元素を表す)
で表される、少なくとも1種の希土類元素の窒化物を含んで成る蓄冷材料を提供する。
特に好ましい希土類窒化物は、DyN、ErN、HoNおよびTbNならびに2種の希土類元素の窒化物固溶体(例えばDy−HoN、Dy−TbN、Tb−ErN、Dy−ErN、Ho−ErNおよびHo−TbN)である。これらの蓄冷材料は、磁場雰囲気中、好ましくは5T以下の磁場雰囲気中、より好ましくは1T以下の磁場雰囲気中で蓄冷材料として使用するのに好適である。また、蓄冷材料として使用するに際して、2〜40K、好ましくは4〜30K、より好ましくは4〜20Kの低温において蓄冷材料として使用することを指摘できる。
Therefore, the present invention
Composition formula: MN (wherein M represents one or more rare earth elements)
A cold storage material comprising a nitride of at least one rare earth element represented by:
Particularly preferred rare earth nitrides are DyN, ErN, HoN and TbN and nitride solid solutions of two rare earth elements (eg Dy-HoN, Dy-TbN, Tb-ErN, Dy-ErN, Ho-ErN and Ho-TbN). It is. These cold storage materials are suitable for use as a cold storage material in a magnetic field atmosphere, preferably in a magnetic field atmosphere of 5T or less, more preferably in a magnetic field atmosphere of 1T or less. Moreover, when using as a cool storage material, it can point out that it uses as a cool storage material in the low temperature of 2-40K, Preferably 4-30K, More preferably, 4-20K.
上述の測定結果に基づけば、DyNは12〜42Kの温度にて5T以下の磁場雰囲気中において好適な蓄熱材料として機能できる。また、ErNは2〜20Kの温度にて5T以下の磁場雰囲気中において好適な蓄熱材料として機能できる。HoNは8〜26Kの温度にて5T以下の磁場雰囲気中において好適な蓄熱材料として機能できる。TbNは20〜60Kの温度にて5T以下の磁場雰囲気中において好適な蓄熱材料として機能できる。
更に、二元系窒化物については、HoXEr1−XN(0<X<1)は、2〜26Kの温度にて5T以下の磁場雰囲気中において好適な蓄熱材料として機能できる。DyXEr1−XN(0<X<1)は、2〜42Kの温度にて5T以下の磁場雰囲気中において好適な蓄熱材料として機能できる。TbXEr1−XN(0<X<1)は、2〜60Kの温度にて5T以下の磁場雰囲気中において好適な蓄熱材料として機能できる。DyXHo1−XN(0<X<1)は、12〜26Kの温度にて5T以下の磁場雰囲気中において好適な蓄熱材料として機能できる。TbXHo1−XN(0<X<1)は、8〜60Kの温度にて5T以下の磁場雰囲気中において好適な蓄熱材料として機能できる。TbXDy1−XN(0<X<1)は、12〜60Kの温度にて5T以下の磁場雰囲気中において好適な蓄熱材料として機能できる。尚、本明細書において、磁場雰囲気は、無磁場雰囲気を含まない。
Based on the above measurement results, DyN can function as a suitable heat storage material in a magnetic field atmosphere of 5T or less at a temperature of 12 to 42K. ErN can function as a suitable heat storage material in a magnetic field atmosphere of 5T or less at a temperature of 2 to 20K. HoN can function as a suitable heat storage material in a magnetic field atmosphere of 5T or less at a temperature of 8 to 26K. TbN can function as a suitable heat storage material in a magnetic field atmosphere of 5T or less at a temperature of 20-60K.
Furthermore, for binary nitrides, Ho X Er 1-X N (0 <X <1) can function as a suitable heat storage material in a magnetic field atmosphere of 5 T or less at a temperature of 2 to 26K. Dy X Er 1-X N (0 <X <1) can function as a suitable heat storage material in a magnetic field atmosphere of 5 T or less at a temperature of 2 to 42K. Tb X Er 1-X N ( 0 <X <1) can function as a suitable storage material in a following
本発明の希土類元素窒化物は、安定な磁気冷凍材料として使用することができる。また、その磁気エントロピー変化が最も大きいピーク温度を考慮すると、10〜80Kの領域の低温を得ることが可能となり、水素の液化に際して必要な低温を本発明の希土類元素窒化物によって提供することが可能となる。 The rare earth element nitride of the present invention can be used as a stable magnetic refrigeration material. Moreover, considering the peak temperature with the largest magnetic entropy change, it is possible to obtain a low temperature in the region of 10 to 80 K, and the low temperature necessary for liquefaction of hydrogen can be provided by the rare earth element nitride of the present invention. It becomes.
従って、本発明の磁気冷凍材料は、それを用いる磁気冷凍システムを構成することができ、また、そのようなシステムは、水素液化プラントに好都合に適用することができる。 Therefore, the magnetic refrigeration material of the present invention can constitute a magnetic refrigeration system using the same, and such a system can be advantageously applied to a hydrogen liquefaction plant.
また、本発明の希土類元素窒化物は、低温にて比熱が大きいため、蓄冷材料として有効に機能できる。従って、本発明の磁気冷凍材料は、低温をもたらすだけでなく、もたらした低温を有効に保持することができる。加えて、本発明の希土類元素窒化物は、磁場雰囲気中において比熱が減少する場合であっても、それほど大きく減少しない場合が多いので、磁場影響下にある雰囲気中において蓄冷が必要とされる場合に特に有効である。従って、本発明は、磁場雰囲気中において蓄冷する方法を提供し、その方法は、上述の希土類窒化物を蓄冷材料として使用することを特徴とする。よって、本発明は、低温発生装置が生み出した低温を保持するために、蓄冷材料として本発明の希土類窒化物を使用する冷凍システム、好ましくは磁場雰囲気中において蓄冷材料として本発明の希土類窒化物を使用する冷凍システムを提供し、更に、そのような冷凍システムを有する低温利用装置(例えばMRI装置等)も提供する。 Moreover, since the rare earth element nitride of the present invention has a large specific heat at low temperatures, it can function effectively as a cold storage material. Therefore, the magnetic refrigeration material of the present invention not only brings about a low temperature, but can effectively keep the produced low temperature. In addition, the rare earth element nitride of the present invention often does not decrease so much even when the specific heat is reduced in a magnetic field atmosphere, so cold storage is required in an atmosphere under the influence of a magnetic field. Is particularly effective. Therefore, the present invention provides a method for storing cold in a magnetic field atmosphere, and the method is characterized by using the rare earth nitride described above as a cold storage material. Therefore, the present invention provides a refrigeration system that uses the rare earth nitride of the present invention as a cold storage material, preferably the rare earth nitride of the present invention as a cold storage material in a magnetic field atmosphere in order to maintain the low temperature generated by the low temperature generator. A refrigeration system to be used is provided, and a low-temperature utilization apparatus (such as an MRI apparatus) having such a refrigeration system is also provided.
よって、本発明は、上述のような希土類窒化物を磁気冷凍材料として使用して、低温を発生する方法、低温を発生する装置、ならびにそのような装置を含む低温発生装置、更に、上述のような希土類窒化物を蓄冷材料として使用して、低温を蓄冷または保持する方法、低温を蓄冷または保持する装置、ならびにそのような装置を含む低温発生装置をも提供する。 Therefore, the present invention provides a method for generating a low temperature by using the rare earth nitride as described above as a magnetic refrigeration material, a device for generating a low temperature, a low-temperature generating apparatus including such a device, and a The present invention also provides a method for storing or holding a low temperature by using a rare earth nitride as a cold storage material, a device for storing or holding a low temperature, and a low-temperature generating apparatus including such a device.
Claims (18)
で表される、少なくとも1種の希土類元素の窒化物を含んで成る磁気冷凍材料。 Composition formula: MN (wherein M represents one or more rare earth elements)
A magnetic refrigeration material comprising a nitride of at least one rare earth element represented by:
で表される、少なくとも1種の希土類元素の窒化物を含んで成る蓄冷材料。 Composition formula: MN (wherein M represents one or more rare earth elements)
A cold storage material comprising a nitride of at least one rare earth element represented by:
で表される、少なくとも1種の希土類元素の窒化物を磁場雰囲気中において蓄冷材として使用する方法。 Composition formula: MN (wherein M represents one or more rare earth elements)
The method of using at least 1 sort of rare earth element nitride represented by these as a cool storage material in a magnetic field atmosphere.
で表される、少なくとも1種の希土類元素の窒化物を蓄冷材として有する、磁場雰囲気中において低温を使用する装置。 Composition formula: MN (wherein M represents one or more rare earth elements)
The apparatus which uses low temperature in magnetic field atmosphere which has the nitride of at least 1 sort (s) of rare earth elements represented by these as a cool storage material.
で表される、少なくとも1種の希土類元素の窒化物を蓄冷材として有する、磁場雰囲気中において低温を発生する装置。
Composition formula: MN (wherein M represents one or more rare earth elements)
The apparatus which generate | occur | produces low temperature in a magnetic field atmosphere which has the nitride of at least 1 sort (s) of rare earth elements represented by these as a cool storage material.
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Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010059047A (en) * | 2008-08-04 | 2010-03-18 | Santoku Corp | Rare earth nitride and production method of the same, and magnetic refrigeration material and cold storage material |
CN103113855A (en) * | 2013-01-23 | 2013-05-22 | 中国科学院福建物质结构研究所 | Low-temperature magnetic refrigeration metal-organic framework material as well as preparation method and use thereof |
JP2018173268A (en) * | 2012-10-09 | 2018-11-08 | 株式会社東芝 | Manufacturing method for cold head |
JP2020031160A (en) * | 2018-08-23 | 2020-02-27 | 住友重機械工業株式会社 | Superconducting magnet cooling device and superconducting magnet cooling method |
WO2021021824A1 (en) * | 2019-07-30 | 2021-02-04 | General Engineering & Research, L.L.C. | Magnetic refrigeration systems for cryogenic applications |
CN115947599A (en) * | 2022-09-30 | 2023-04-11 | 桂林理工大学 | Five-membered zircon-type structure high-entropy oxide ceramic and preparation method thereof |
EP4006189A4 (en) * | 2019-07-25 | 2023-08-09 | National Institute for Materials Science | Magnetic freezing module, magnetic freezing system, and cooling method |
CN116751040A (en) * | 2023-06-19 | 2023-09-15 | 杭州电子科技大学 | Gadolinium silicate material for low-temperature magnetic refrigeration and preparation method and application thereof |
-
2004
- 2004-08-09 JP JP2004232484A patent/JP2005089740A/en active Pending
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010059047A (en) * | 2008-08-04 | 2010-03-18 | Santoku Corp | Rare earth nitride and production method of the same, and magnetic refrigeration material and cold storage material |
JP2018173268A (en) * | 2012-10-09 | 2018-11-08 | 株式会社東芝 | Manufacturing method for cold head |
CN103113855A (en) * | 2013-01-23 | 2013-05-22 | 中国科学院福建物质结构研究所 | Low-temperature magnetic refrigeration metal-organic framework material as well as preparation method and use thereof |
JP2020031160A (en) * | 2018-08-23 | 2020-02-27 | 住友重機械工業株式会社 | Superconducting magnet cooling device and superconducting magnet cooling method |
EP4006189A4 (en) * | 2019-07-25 | 2023-08-09 | National Institute for Materials Science | Magnetic freezing module, magnetic freezing system, and cooling method |
WO2021021824A1 (en) * | 2019-07-30 | 2021-02-04 | General Engineering & Research, L.L.C. | Magnetic refrigeration systems for cryogenic applications |
CN115947599A (en) * | 2022-09-30 | 2023-04-11 | 桂林理工大学 | Five-membered zircon-type structure high-entropy oxide ceramic and preparation method thereof |
CN116751040A (en) * | 2023-06-19 | 2023-09-15 | 杭州电子科技大学 | Gadolinium silicate material for low-temperature magnetic refrigeration and preparation method and application thereof |
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