JP2018124028A

JP2018124028A - 磁気ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP2018124028A
Application number: JP2017018239A
Authority: JP
Inventors: 正裕近藤; Masahiro Kondo
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2018-08-09

Abstract

【課題】性能を向上できる磁気ヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】磁気ヒートポンプ装置１は、磁気熱量効果を発現する線状体１２と、線状体が収容されたケース１３とを含むＭＣＭ熱交換器１０と、線状体に磁場を印加すると共に磁場の強度を変更する磁場変更部２０と、ＭＣＭ熱交換器の高温端に接続された高温側熱交換器３０と、ＭＣＭ熱交換器の低温端に接続された低温側熱交換器４０と、磁場変更部により線状体に印加される磁場の強度の増加に伴い低温端側から高温端側に向けて熱媒体を移動し、磁場変更部により線状体に印加される磁場の強度の減少に伴い高温端側から低温端側に向けて熱媒体を移動する熱媒体移動部５０と、を備え、熱媒体移動部は、高温側熱交換器に接続されたシリンダ５１１と、シリンダの内周に密着するピストン５１２と、を有するピストンシリンダ５１と、低温側熱交換器に接続され、熱媒体が貯蔵されたタンク５２と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気熱量効果を利用した磁気ヒートポンプ装置に関するものである。

磁気熱量効果型のヒートポンプとして、磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を流す熱輸送装置に斜板型のピストンポンプを用いたものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４−２０９０４１号公報

上記ヒートポンプでは、低温側の熱交換器に接続されたピストンポンプの摺動部分が発熱して熱輸送媒体が加熱されるため、低温側の熱交換器が十分に冷却されず、ヒートポンプの性能が低下するおそれがあるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、性能を向上できる磁気ヒートポンプ装置を提供することである。

［１］本発明に係る磁気ヒートポンプ装置は、磁気熱量効果を発現する磁性体と、前記磁性体が収容されたケースとを含む熱交換器と、前記磁性体に磁場を印加すると共に前記磁場の強度を変更する磁場変更手段と、前記熱交換器の高温端に接続された第１の外部熱交換器と、前記熱交換器の低温端に接続された第２の外部熱交換器と、前記磁場変更手段により前記磁性体に印加される前記磁場の強度の増加に伴い前記低温端側から前記高温端側に向けて熱媒体を移動し、前記磁場変更手段により前記磁性体に印加される前記磁場の強度の減少に伴い前記高温端側から前記低温端側に向けて前記熱媒体を移動する熱媒体移動手段と、を備え、前記熱媒体移動手段は、前記第１の外部熱交換器に接続されたシリンダと、前記シリンダの内周に密着するピストンと、を有するピストンシリンダと、前記第２の外部熱交換器に接続され、前記熱媒体が貯蔵されたタンクと、を含む磁気ヒートポンプ装置である。

本発明によれば、低温側の熱交換器に接続された熱媒体移動手段が発熱しないため、磁気ヒートポンプ装置の性能の向上を図ることができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る磁気ヒートポンプ装置の全体構成図であり、永久磁石が第１の位置にある状態を示す図である。図２は、本発明の一実施の形態に係る磁気ヒートポンプ装置の全体構成図であり、永久磁石が第２の位置にある状態を示す図である。図３は、本発明の一実施の形態に係るＭＣＭ熱交換器の構成を示す分解斜視図である。図４は、本発明の一実施の形態に係るＭＣＭ熱交換器の延在方向に沿った断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る磁気ヒートポンプ装置の全体構成図であり、永久磁石が第１の位置にある状態を示す図、図２は本発明の一実施の形態に係る磁気ヒートポンプ装置の全体構成図であり、永久磁石が第２の位置にある状態を示す図、図３は本発明の一実施の形態に係るＭＣＭ熱交換器の構成を示す分解斜視図、図４は本発明の一実施の形態に係るＭＣＭ熱交換器の延在方向に沿った断面図である。

図１及び図２に示す磁気ヒートポンプ装置１は、磁気熱量効果（Magnetocaloric effect）を利用したヒートポンプ装置であり、家庭用或いは自動車等の空気調和装置に適用される。この磁気ヒートポンプ装置１は、ＭＣＭ熱交換器１０と、ＭＣＭ熱交換器１０に対して磁場の印加／除去をする磁気変更部２０と、ＭＣＭ熱交換器１０の高温端に接続された高温側熱交換器３０と、ＭＣＭ熱交換器１０の低温端に接続された低温側熱交換器４０と、ピストンシリンダ５１とタンク５２とを有する熱媒体移動部５０と、熱媒体を通す配管６０とを備えている。この磁気ヒートポンプ装置１においては、ピストンシリンダ５１、高温側熱交換器３０、ＭＣＭ熱交換器１０、低温側熱交換器４０、及びタンク５２がこの順で配管６０により接続されており、配管６０の両端のそれぞれに、ピストンシリンダ５１及びタンク５２が配されている。なお、熱媒体としては、例えば、水、不凍液、エタノール溶液、又は、これらの混合物等の液体流体を用いることができる。

ＭＣＭ熱交換器１０は、図３及び図４に示すように、複数の線状体１２からなる集合体１１と、当該集合体１１が収容されたケース１３と、ケース１３に接続された第１のアダプタ１４と第２のアダプタ１５とを含んでいる。

線状体１２は、磁気熱量効果を発現する磁気熱量効果材料（ＭＣＭ：Magnetocaloric Effect Material）から構成された円形の断面形状を有する線材である。このＭＣＭから構成される線状体１２に磁場を印加すると、電子スピンが揃うことで磁気エントロピーが減少し、当該線状体１２は発熱して温度が上昇する。一方、線状体１２から磁場を除去すると、当該線状体１２は、電子スピンが乱雑となり磁気エントロピーが増加し、当該線状体１２は吸熱して温度が低下する。

この線状体１２を構成するＭＣＭは、磁性体であれば特に限定しないが、例えば、常温域で高い磁気熱量効果を発現する磁性体であることが好ましい。こうしたＭＣＭの具体例としては、例えば、ガドリニウム（Ｇｄ）、ガドリニウム合金、ランタン−鉄−シリコン（Ｌａ−Ｆｅ−Ｓｉ）系化合物等を例示することができる。

集合体１１は、相互に並列された複数の線状体１２の束により構成されている。隣接する線状体１２同士の側面は相互に接触し、その結果、これらの間に流路が形成されている。なお、理解を容易にするために、図３には、実際の本数よりも少ない本数の線状体１２から構成される集合体１１を示しているが、実際には、数千本〜数万本の線状体１２から集合体１１が構成されている。

線状体１２の線径としては、特に限定しないが、例えば、０．０１〜１ｍｍであることが好ましい。この際、集合体１１を構成する複数の線状体１２は、実質的に同一の線径のものを用いてもよいし、異なる線径のものが混在していてもよい。

この線状体１２の集合体１１は、ケース１３に収容されている。図３及び図４に示すように、ケース１３は、矩形筒状に構成されている。このケース１３の軸方向の一端及び他端には、第１の開口１３１及び第２の開口１３２がそれぞれ形成されている。線状体１２は、直線状に延在しており、この線状体１２の延在方向とケース１３の軸方向とは実質的に一致している。また、第１の開口１３１及び第２の開口１３２の中心は、集合体１１の中心と同軸上に位置している。なお、複数の線状体１２は撚り合わせてもよい。この場合、集合体１１を構成する多数の線状体１２を、２，３本ずつの組に分けて、各組の２，３本の線状体１２を撚り合わせてもよい。

ケース１３は、軸方向に対して直交する断面における断面形状がコ字状（略Ｕ字状）の収容部１３ａと、矩形板状の蓋部１３ｂとを含んでいる。この蓋部１３ｂの幅方向端部が、収容部１３ａの開口端部に固定されることにより、収容部１３ａの開口端部が蓋部１３ｂにより閉塞されている。

ケース１３の第１の開口１３１には第１のアダプタ１４が接続されており、第２の開口１３２には第２のアダプタ１５が接続されている。この第１のアダプタ１４及び第２のアダプタ１５としては、例えば、熱収縮チューブや樹脂成型品や金属加工品などを用いることができる。

第１のアダプタ１４は、第１の開口１３１と接続される側の反対側に、第１の連結口１４１を有している。この第１の連結口１４１は、高温側熱交換器３０に接続されている。第２のアダプタ１５も、第２の開口１３２と接続される側の反対側に第２の連結口１５１を有している。この第２の連結口１５１は、低温側熱交換器４０に接続されている。

磁気変更部２０は、図１及び図２に示すように、一対の永久磁石２１を含んでいる。この一対の永久磁石２１は、特に図示しない駆動装置（不図示）により、一対の永久磁石２１の間にＭＣＭ熱交換器１０が介在しない位置（以下、第１の位置とも言う。）と、一対の永久磁石２１の間にＭＣＭ熱交換器１０が介在する位置（以下、第２の位置とも言う。）と、の間を往復移動している。図１及び図２に示す磁気ヒートポンプ装置１では、一対の永久磁石２１は、ＭＣＭ熱交換器１０の延在方向に沿って往復移動しているが、特にこれに限定されず、一対の永久磁石２１は、ＭＣＭ熱交換器１０の幅方向に沿って往復移動させてもよい。

なお、一対の永久磁石２１を固定して、ＭＣＭ熱交換器１０を第１の位置と第２の位置との間を往復移動させてもよい。また、永久磁石２１に代えて、コイルを有する電磁石を用いてもよく、この場合には、ＭＣＭ熱交換器１０又は永久磁石２１を往復移動させる駆動装置が不要となる。また、コイルを有する電磁石を用いる場合には、電磁石の増磁／減磁を行うことで線状体１２に印加される磁場の強度（磁場の大きさ）を変更してもよい。

熱媒体移動部５０は、ピストンシリンダ５１と、タンク５２とを含んでいる。ピストンシリンダ５１は、配管６０の一端に配されている。このピストンシリンダ５１は、高温側熱交換器３０に接続されたシリンダ５１１と、シリンダ５１１内に収容されたピストン５１２と、を有している。

シリンダ５１１は、略円形の断面形状を有する中空筒状の筒状部５１１ａと、筒状部５１１ａの長手方向一端を閉塞する底部５１１ｂと、を含んでいる。底部５１１ｂには、配管６０の一端と繋がる接続口５１１ｃが設けられている。ピストン５１２は、シリンダ５１１の断面形状と相似形とされた板状部材である。このピストン５１２は、筒状部５１１ａの内周と隙間なく密着している。

ピストン５１２は、特に図示しない往復動機構（不図示）によって、シリンダ５１１の長手方向に沿ってシリンダ５１１内を往復摺動することが可能となっている。このピストン５１２の往復摺動は、永久磁石２１の第１の位置と第２の位置との間の往復移動と連動して行われる。

ピストンシリンダ５１では、シリンダ５１１の筒状部５１１ａ及び底部５１１ｂ、並びにピストン５１２によって熱媒体室５１３が画定されている。この熱媒体室５１３には、熱媒体が充填されている。

タンク５２は、熱媒体を収容できる内部空間を略密閉構造としたレシーバタンクである。このタンク５２は、配管６０の他端に配されており、低温側熱交換器４０と接続されている。タンク５２には、配管６０の他端と繋がる接続口５２１が設けられている。また、タンク５２には、所定量以上の熱媒体が貯蔵されており、この場合、接続口５２１は、タンク５２に貯蔵された熱媒体の界面よりも鉛直方向において低い側に位置するように配されている。

次に、本実施形態の磁気ヒートポンプ装置１の作用について説明する。

本実施形態の磁気ヒートポンプ装置１は、以下の通りに動作する。まず、図１に示すように、磁場変更部２０の永久磁石２１を第１の位置に移動させると、ＭＣＭ熱交換器１０の線状体１２に印加される磁場の強度が減少して、線状体１２の温度が低下する。また、これに伴って、熱媒体移動部５０において、熱媒体室５１３の体積が減少する方向にシリンダ５１１内のピストン５１２を摺動移動させる（すなわち、シリンダ５１１の長手方向に沿って底部５１１ｂに近づく側に向けてシリンダ５１１内のピストン５１２を摺動移動させる。）。これにより、熱媒体室５１３内が昇圧されて、接続口５１１ｃを介して熱媒体室５１３から配管６０に熱媒体が供給される。

熱媒体は、ＭＣＭ熱交換器１０の高温端側から低温端側に向けて移動し、ＭＣＭ熱交換器１０を通過する際に、温度が低下した線状体１２によって冷却される。そして、冷却された熱媒体が低温側熱交換器４０に供給されて、当該低温側熱交換器４０が冷却される。低温側熱交換器４０を通過した熱媒体は、配管６０の他端から配管６０外に押し出され、接続口５２１を介してタンク５２に供給される。

上述の動作により、冷却された低温側熱交換器４０が外部との間で熱交換を行うことで、磁気ヒートポンプ装置１を用いた空気調和装置を冷房として機能させることができる。

一方、図２に示すように、磁場変更部２０の永久磁石２１を第２の位置に移動させると、ＭＣＭ熱交換器１０の線状体１２に印加される磁場の強度が増加して温度が上昇する。また、これに伴って、熱媒体移動部５０において、熱媒体室５１３の体積が増大するようにシリンダ５１１内のピストン５１２を摺動移動させる（すなわち、シリンダ５１１の長手方向に沿って底部５１１ｂから離れる側に向けてシリンダ５１１内のピストン５１２を摺動移動させる。）。これにより、熱媒体室５１３内が減圧されることにより、接続口５２１を介してタンク５２から配管６０に熱媒体が供給される。

熱媒体は、ＭＣＭ熱交換器１０の高温端側から低温端側に向けて移動し、ＭＣＭ熱交換器１０を通過する際に、温度が上昇した線状体１２によって加熱される。そして、加熱された熱媒体が高温側熱交換器３０に供給されて、当該高温側熱交換器３０が加熱される。高温側熱交換器３０を通過した熱媒体は、配管６０の一端から配管６０外に吐き出され、接続口５１１ｃを介してピストンシリンダ５１（具体的には、熱媒体室５１３）に供給される。

上述の動作により、加熱された高温側熱交換器３０が外部との熱交換を行うことで、磁気ヒートポンプ装置１を用いた空気調和装置を暖房として機能させることができる。

そして、永久磁石２１が第１の位置と第２の位置との間の往復移動を繰り返し、ＭＣＭ熱交換器１０内の線状体１２に印加される磁場の強度の増加／減少を交互に繰り返すと共に、当該磁場の強度の増加／減少に伴って、シリンダ５１１内のピストン５１２の往復摺動を繰り返し、低温端側から高温端側に向けた熱媒体の移動と、高温端側から低温端側に向けた熱媒体の移動と、を交互に繰り返すことで、低温側熱交換器４０の冷却と、高温側熱交換器３０の加熱とが継続される。

ここで、ピストンシリンダ５１においては、シリンダ５１１内をピストン５１２が往復摺動すると、シリンダ５１１とピストン５１２との摺動部分が発熱する。これによって、シリンダ５１１内に充填された熱媒体が意図せず加熱される。仮に、ピストンシリンダを低温側熱交換器に接続すると、当該低温側熱交換器に意図せず加熱された熱媒体が送られることとなるため、低温側熱交換器４０が十分に冷却されず、磁気ヒートポンプ装置１を用いた空調調和装置を冷房として機能させる際に、十分な冷却能力を発揮できないおそれがある。

これに対し、本実施形態では、高温側熱交換器３０に熱媒体移動部５０としてピストンシリンダ５１を接続し、一方で、低温側熱交換器４０に熱媒体移動部５０としてタンク５２を接続している。この場合、タンク５２に摺動部分が存在しないため、タンク５２から出入りする熱媒体が意図せず加熱されることはない。これによって、低温側熱交換器４０に意図せず加熱された熱媒体が送られることがなくなる。この結果、磁気ヒートポンプ装置１を用いた空調調和装置を冷房として機能させる際に、十分な冷却能力を発揮することができ、磁気ヒートポンプ装置１の性能の向上を図ることができる。

本実施形態における「磁気ヒートポンプ装置１」が本発明における「磁気ヒートポンプ装置」の一例に相当し、本実施形態における「ＭＣＭ熱交換器１０」が本発明における「熱交換器」の一例に相当し、本実施形態における「線状体１２」が本発明における「磁性体」の一例に相当し、本実施形態における「ケース１３」が本発明における「ケース」の一例に相当し、本実施形態における「磁場変更部２０」が本発明における「磁場変更手段」の一例に相当し、本実施形態における「高温側熱交換器３０」が本発明における「第１の外部熱交換器」の一例に相当し、本実施形態における「低温側熱交換器４０」が本発明における「第２の外部熱交換器」の一例に相当し、本実施形態における「熱媒体移動部５０」が本発明における「熱媒体移動手段」の一例に相当し、本実施形態における「ピストンシリンダ５１」が本発明における「ピストンシリンダ」の一例に相当し、本実施形態における「シリンダ５１１」が本発明における「シリンダ」の一例に相当し、本実施形態における「ピストン５１２」が本発明における「ピストン」の一例に相当し、本実施形態における「タンク５２」が本発明における「タンク」の一例に相当する。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。従って、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

また、上述の実施形態では、磁気ヒートポンプ装置を家庭用或いは自動車等の空気調和装置に適用した例について説明したが、特にこれに限定されない。例えば、用途に応じた適切なキュリー温度を有するＭＣＭを選定することで、冷凍機のような極低温域での用途、或いは、ある程度高温域での用途に、本発明に係る磁気ヒートポンプ装置を適用してもよい。

また、本実施形態では、ＭＣＭ熱交換器は、単一の集合体によって構成していたが、特にこれに限定されず、複数の集合体を当該ＭＣＭ熱交換器の延在方向に沿って並設して構成してもよい。この場合、複数の集合体は、相互に同一の構成を有していてもよいし、異なる構成を有していてもよい。

また、ＭＣＭ熱交換器において、高温端側から低温端側に亘る温度勾配に応じて、異なるキュリー点（キュリー温度）のＭＣＭ材料を採用した複数の集合体を用いてもよい。具体的には、高温端側に配される集合体には、比較的キュリー点の高い材料を採用し、低温端側に配される集合体には、比較的キュリー点の低い材料を採用することが好ましい。このように、ＭＣＭ熱交換器における温度雰囲気に対応して異なるキュリー点の材料で構成された線材を用いることで、より効率良く磁気熱量効果を作用させることができる。

１…磁気ヒートポンプ装置
１０…ＭＣＭ熱交換器
１１…集合体
１２…線状体
１３…ケース
１３１…第１の開口
１３２…第２の開口
１３ａ…収容部
１３ｂ…蓋部
１４…第１のアダプタ
１４１…第１の連結口
１５…第２のアダプタ
１５１…第２の連結口
２０…磁場変更部
２１…永久磁石
３０…高温側熱交換器
４０…低温側熱交換器
５０…熱媒体移動部
５１…ピストンシリンダ
５１３…熱媒体室
５１１…シリンダ
５１１ａ…筒状部
５１１ｂ…底部
５１１ｃ…接続口
５１２…ピストン
５２…タンク
５２１…接続口
６０…配管

Claims

磁気熱量効果を発現する磁性体と、前記磁性体が収容されたケースとを含む熱交換器と、
前記磁性体に磁場を印加すると共に前記磁場の強度を変更する磁場変更手段と、
前記熱交換器の高温端に接続された第１の外部熱交換器と、
前記熱交換器の低温端に接続された第２の外部熱交換器と、
前記磁場変更手段により前記磁性体に印加される前記磁場の強度の増加に伴い前記低温端側から前記高温端側に向けて熱媒体を移動し、前記磁場変更手段により前記磁性体に印加される前記磁場の強度の減少に伴い前記高温端側から前記低温端側に向けて前記熱媒体を移動する熱媒体移動手段と、を備え、
前記熱媒体移動手段は、
前記第１の外部熱交換器に接続されたシリンダと、前記シリンダの内周に密着するピストンと、を有するピストンシリンダと、
前記第２の外部熱交換器に接続され、前記熱媒体が貯蔵されたタンクと、を含む磁気ヒートポンプ装置。