JP2019100430A - 制御弁及び磁気ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦熱による熱損失の小さい磁気ヒートポンプ装置用の制御弁を提供する。【解決手段】回転軸３に固定された永久磁石４とその永久磁石４の外周側に円周方向に沿って配置された磁性材料６とを備える磁気ヒートポンプ装置に設けられ、磁性材料６に対する作業流体の流入・流出を制御する制御弁１０である。回転軸３に固定された回転体１１と、回転体１１の外周側に配置された非回転体１２と、回転体１１の外周側端面に内径側端面を向けると共に回転体１１の径方向へ軸を向けて放射状に配置され、且つ非回転体１２に軸方向へ進退可能に規制された複数のスプール弁１３と、各スプール弁１３を外周側端面に向けて付勢するバネ要素１４と、を備え、外周側端面の円周方向のプロフィールとして、回転体１１の回転中心からの径の長さが異なる少なくとも２種類のプロフィールを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気ヒートポンプ装置に関する技術である。

磁気ヒートポンプ装置に設けられる制御弁のうち、永久磁石の回転と共に回転する回転部を有して、磁性材料（磁性作業物質）への作業流体の流入・流出を制御する制御弁としては、例えば特許文献１に記載のロータリー弁がある。
ロータリー弁は、特許文献１に記載のように、磁性材料を収容した作業室と連通する吸入孔及び吐出孔が形成された非回転状態のバルブプレートと、永久磁石の回転軸に固定された回転ディスクとが同軸に配置され、回転ディスクに、円周方向に延在する切欠きが開口して構成される。

特許第５４８８５８０号公報（段落０２３８，図１６，図１８参照）

ロータリー弁は、流出入させる作業流体と摺動部が直に接触する面積が大きいことから、摩擦抵抗が大きくなる傾向があり、このため摩擦熱による熱損失が大きいなどの課題がある。
本発明は、上記のような点に着目したもので、摩擦熱による熱損失の小さい磁気ヒートポンプ装置用の制御弁を提供することを目的とする。

課題を解決するために、本発明の一態様の制御弁は、回転軸に固定された永久磁石とその永久磁石の外周側に円周方向に沿って配置された磁性材料とを備える磁気ヒートポンプ装置に設けられ、上記磁性材料に対する作業流体の流入・流出を制御する制御弁であって、上記回転軸に固定された回転体と、上記回転体の外周側に配置された非回転体と、上記回転体の外周側端面に内径側端面を向けると共に上記回転体の径方向へ軸を向けて放射状に配置され、且つ上記非回転体に軸方向へ進退可能に規制された複数のスプール弁と、上記各スプール弁を上記外周側端面に向けて付勢するバネ要素と、を備え、上記外周側端面の円周方向のプロフィールとして、上記回転体の回転中心からの径の長さが異なる少なくとも２種類のプロフィールを有することを要旨とする。

この制御弁では、回転する回転体の外周側端面が、径の長さが異なる少なくとも２種類のプロフィールを有することで、その外周側端面に付勢されたスプール弁の軸方向位置が、回転体の回転に伴い周期的に変化して、作業流体の流入・流出を制御可能となる。

本発明の一態様によれば、回転体の回転に伴い放射状に配置したスプール弁を軸方向に摺動変位させることで作業流体の流入・流出を制御可能となる。このため、ロータリー弁に比べて、摺動部が作業流体と直に接触することが低減して、摩擦熱による熱損失が抑えられる。
このように、ロータリー弁に比べて摩擦抵抗が小さいことからロータリー弁を使用する場合に比べて、磁気ヒートポンプ装置を高速で回転することが可能となる。
また、回転体は、径方向において、作業流体の連通路よりも内側で回転するため、ロータリー弁の回転ディスクよりも小径となり、回転トルクも小さくなる。このことからも磁気ヒートポンプ装置を高速で回転することが可能となる。

本発明に基づく第１実施形態に係る磁気ヒートポンプ装置の概略断面図である。 本発明に基づく第１実施形態に係る磁気ヒートポンプ装置をＡ−Ａ断面で図示した概略断面図である。 制御弁を説明する図である。 図３に対し回転体の位相をずらした図である。 非回転体を説明する斜視図である。 作業流体の流れのサイクルを説明する図である。 スプール弁の先端の形状を変更した制御弁を説明する図である。 段差部のプロフィールを変更した制御弁を説明する図である。 別のプロフィール形状を示す図である。 別の作業流体の流れのサイクルを説明する図である。

次に本発明に実施形態について図面を参照して説明する。
（構成）
磁気ヒートポンプ装置の装置本体１は、図１及び図２に示すように、モータ２で回転駆動される回転軸３に永久磁石４が固定されている。永久磁石４の外周には、それぞれ磁性材料６が収容された複数の作業室５が配置されている。複数の作業室５は、回転軸３と同心の円環状に円周方向に沿って配列している。更に複数の作業室５の外周側には、円環状のヨーク７が設けられている。これによって、永久磁石４の回転に伴い、永久磁石４の磁極に近い側の磁性材料６に磁場が印加（励磁）されて加熱されると共に、永久磁石４から離れた磁性材料６では消磁して温度が下がる。

各作業室５の長手方向（図２の左右方向）両端部には、作業流体（熱交換媒体）の流入用の開口と流出用の開口が形成されている。この２つの開口は、通常、円板状の連通孔プレートに形成し、連通孔プレートを作業室５の前後側にそれぞれ配置するが、本実施形態では、後述の通り、制御弁１０の弁箱のうちの作業室５側（装置本体１側）の側面部に開口するポートが上記の流入用の開口と流出用の開口を兼ねる。なお、流入用の開口と流出用の開口は、回転軸３の径方向に離れて設けられ、回転軸３に対し、複数の流入用の開口が同心状に配列されると共に、複数の流出用の開口も同心状に配列される。なお、本実施形態では、内径側の開口が流出用、外径側の開口が流入側として説明するが、反対でも構わない。

上記のような装置本体１の軸方向両側には、各作業室５への作業流体の流出入を制御する制御弁１０をそれぞれ備える。
本実施形態の制御弁１０は、図２〜図４に示すように、回転軸３に固定された回転体１１と、回転体１１の外周側に配置され非回転体１２（弁箱）と、非回転体１２に軸方向にのみ進退可能に支持された複数のスプール弁１３と、バネ要素１４とを備える。

複数のスプール弁１３は、回転体１１の外周側端面に内径側端面を向け且つ回転体１１の径方向へ軸を向けてそれぞれ放射状に配置されている。本実施形態では、１２個のスプール弁１３が、回転軸３を中心として、放射状に配列しかつ円周方向に等ピッチで配置されている場合を例示する。
バネ要素１４は、例えばコイルバネや板バネなどから構成され、各スプール弁１３の外径側端部を、内径側である回転体１１側に向けて押圧する弾性力を発揮することで、各スプール弁１３を回転体１１の外周側端面に向けて付勢する部品である。

この構成によって、各スプール弁１３の軸方向位置は、回転体１１における当接する外周側端面位置によって位置決めされる。
スプール弁１３は、周面であるランド形状が円筒形状となっていると共に軸方向の２カ所が円周方向に切り掛かれて流入側連通部１３ｂ（流入用切欠き）と流出側連通部１３ａ（流出用切欠き）が形成されている。

非回転体１２は、図３〜図５に示すように、回転体１１と同軸に配置された円環状の部品であって、各スプール弁１３が軸方向に摺動する円柱状の複数の貫通孔１２ａが径方向に開口し、各貫通孔１２ａにスプール弁１３が摺動可能に配置されている。
また、非回転体１２の一方の側面（作業室５側の側面）には、流入用のポート１２ｃ及び流出用のポート１２ｂを形成する開口が回転軸３の径方向（以下単に径方向とも言う）に離れて開口している。流入用のポート１２ｃ及び流出用のポート１２ｂは、装置本体１の長手方向（以下単に長手方向と言う）で対応するスプール弁１３が配置される貫通孔１２ａと重なる位置に形成されて当該貫通孔１２ａと連通している。また、流入用のポート１２ｃ及び流出用のポート１２ｂの径方向位置は、作業室５に臨み可能な位置に配置されている。

本実施形態では、一つの貫通孔１２ａに対応する流入用のポート１２ｃ及び流出用のポート１２ｂが１つの孔で構成する場合を例示しているが、作業室５側は、流入用のポート１２ｃ及び流出用のポート１２ｂを兼ねる一つの孔で連通孔を構成しても良い。
非回転体１２の他方の側面にも、一方の側面の流入用のポート１２ｃ及び流出用のポート１２ｂと軸方向で対向する位置に流入用のポート１２ｃ及び流出用のポート１２ｂが対応する貫通孔１２ａに連通するように形成されている。

回転体１１は、回転体１１の位相をずらして図示した図３及び図４に示すように、異径カムを構成する。回転体１１の外周側端面は、円周方向に沿って、径の長さが異なる少なくとも２種類のプロフィールを有する。外周側端面が、円周方向に沿った径方向長さが異なる異径形状とすることで、その外周側端面に当接する各スプール弁１３は、回転体１１の回転に伴い軸方向に周期的に進退するようになる。すなわち、外周側端面に規制されたスプール弁１３の軸方向位置が、回転体１１の回転に伴い変化して、作業流体の流入・流出を制御可能となる。

外周側端面の円周方向に沿ったプロフィールとして、流入用のポート１２ｃとなる切欠きが流入側の通路と連通する位置にスプール弁１３の軸方向位置を規制する第１のプロフィールＰＲ１と、流出用切欠きが流出側の通路と連通する位置に上記スプール弁１３の軸方向位置を規制する第２のプロフィールＰＲ２と、流入用のポート１２ｃとなる切欠き及び上記流出用切欠きが共に閉となる位置に上記スプール弁１３の軸方向位置を規制する第３のプロフィールＰＲ３を備える。外周側端面の円周方向において、上記第３のプロフィールＰＲ３は、第１のプロフィールＰＲ１と第２のプロフィールＰＲ２の間に位置する。

本実施形態では、永久磁石４の磁極が、回転軸３を挟んで対称位置に配置されている。これに併せて、第１のプロフィールＰＲ１と第２のプロフィールＰＲ２とを回転軸３に軸対称に一対ずつ形成している。また、本実施形態では、軸方向からみて、永久磁石４の各磁極に同期をさせて第１のプロフィールＰＲ１の位置を配置している。
本実施形態では、各プロフィールの径方向長さとして、下記のような関係になるように設定した。

第１のプロフィールＰＲ１ ＞ 第３のプロフィールＰＲ３ ＞第２のプロフィールＰＲ２
ただし、スプール弁１３のポートとの関係で、「第１のプロフィールＰＲ１ ＜ 第３のプロフィールＰＲ３ ＜第２のプロフィールＰＲ２」となるように設計しても良い。
これによって、相対的に、第１のプロフィールＰＲ１に当接するスプール弁１３は、外径側に移動して流出側通路が開となり、第２のプロフィールＰＲ２に当接するスプール弁１３は、内径側に移動して流入側通路が開となり、第３のプロフィールＰＲ３に当接するスプール弁１３は、その中間位置に移動して、全閉状態となる。
なお、図３，図４で、○で囲まれたポートは、開の状態となっていることを示す。他の図でも同様である。

（動作その他）
以上の構成によって、永久磁石４の回転に同期して回転体１１が回転し、制御弁１０は、回転体１１の回転に伴い、各スプール弁１３のポートが周期的に開閉を繰り返す。
このとき本実施形態の制御弁１０は、回転体１１の回転に伴い放射状に配置したスプール弁１３を軸方向に摺動変位させることで作業流体の流入・流出を制御可能となる。このため、ロータリー弁に比べて、摺動部が作業流体と直に接触することが低減して、摩擦熱による熱損失が抑えられる。

このように、本実施形態の制御弁１０は、ロータリー弁に比べて摩擦抵抗が小さいことからロータリー弁を使用する場合に比べて、磁気ヒートポンプ装置を高速で回転することが可能となる。
また、本実施形態の制御弁１０は、回転体１１は、径方向において、作業流体の連通路よりも内側で回転するため、ロータリー弁の回転ディスクよりも小径となり、回転トルクも小さくなる。このことからも磁気ヒートポンプ装置を高速で回転することが可能となる。

ここで、各作業室５での励磁・消磁のサイクルに応じた、流速のサイクルは、図６（ａ）に示すようなパルス的な流れが理想であるが、本実施形態では図６（ｂ）に示すような作業流体の流れとなるように、回転体１１の外周側端面の、円周方向に沿ったプロフィールを設計する。
これに対応するように、第１のプロフィールＰＲ１、第２のプロフィールＰＲ２、第３のプロフィールＰＲ３における隣り合うプロフィール間に径方向長さの段差を形成している。

ただし、上記のスプール弁１３の内径側端面が円周方向に所定の厚みがある場合、各プロフィール間の切り替えに応答の遅れが生じる。これを解消する目的で、図７に示すように、スプール弁１３の内径側端面に対し、外周側端面に向けて突出する突起部１３Ａを設け、その突起部１３Ａとして、プロフィール間の径方向長さの段差より長く、円周方向に厚みを向けた平板状の突起部１３Ａを設ける。これによってスプール弁１３のカムである回転体１１に対する応答性が向上する。

さらに、図８に示すように、隣り合うプロフィール間に径方向長さの段差の円周方向への傾斜を調整することで、出来るだけ流入側と流出側の開口量が同じになるように設計することが好ましい。
ここで、上記説明では、第３のプロフィールＰＲ３を設けて、各作業室５での励磁・消磁の間に間欠部を形成する場合を例示しているが、図９に示すように、第３のプロフィールＰＲ３を省略しても良い。この場合には、図１０に示すような、各作業室５での励磁・消磁のサイクルに応じた、流速のサイクルとなるように、各プロフィールを設計することが好ましい。

１ 装置本体
２ モータ
３ 回転軸
４ 永久磁石
５ 作業室
６ 磁性材料
１０ 制御弁
１１ 回転体
１２ 非回転体
１２ａ 貫通孔
１２ｂ ポート
１２ｃ ポート
１３ スプール弁
１３Ａ 突起部
１３ａ 流出側連通部
１３ｂ 流入側連通部
１４ バネ要素
ＰＲ１ 第１のプロフィール
ＰＲ２ 第２のプロフィール
ＰＲ３ 第３のプロフィール

Claims (5)

1. 回転軸に固定された永久磁石とその永久磁石の外周側に円周方向に沿って配置された磁性材料とを備える磁気ヒートポンプ装置に設けられ、上記磁性材料に対する作業流体の流入・流出を制御する制御弁であって、
   上記回転軸に固定された回転体と、
   上記回転体の外周側に配置された非回転体と、
   上記回転体の外周側端面に内径側端面を向けると共に上記回転体の径方向へ軸を向けて放射状に配置され、且つ上記非回転体に軸方向へ進退可能に支持された複数のスプール弁と、
   上記各スプール弁を上記外周側端面に向けて付勢するバネ要素と、
   を備え、
   上記外周側端面の円周方向のプロフィールとして、上記回転体の回転中心からの径の長さが異なる少なくとも２種類のプロフィールを有することを特徴とする制御弁。
2. 上記スプール弁のランドに流入用切欠きと流出用切欠きとが形成され、
   上記外周側端面の上記プロフィールとして、上記流入用切欠きが流入側の通路と連通する位置に上記スプール弁の軸方向位置を規制する第１のプロフィールと、上記流出用切欠きが流出側の通路と連通する位置に上記スプール弁の軸方向位置を規制する第２のプロフィールとを備えることを特徴とする請求項１に記載の制御弁。
3. 上記回転体の外周側端面の上記プロフィールとして、上記流入用切欠き及び上記流出用切欠きが共に閉となる位置に上記スプール弁の軸方向位置を規制する第３のプロフィールを備え、
   上記回転体の外周側端面の円周方向において、上記第３のプロフィールは、第１のプロフィールと第２のプロフィールの間に位置することを特徴とする請求項２に記載した制御弁。
4. 上記回転体の軸方向からみて、第１のプロフィール又は第２のプロフィールの形成位置が、上記永久磁石の磁極位置に同期させて形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した制御弁。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の制御弁を有する磁気ヒートポンプ装置。
   

Images