WO2019106978A1

WO2019106978A1 - 磁気ヒートポンプ装置

Info

Publication number: WO2019106978A1
Application number: PCT/JP2018/038144
Authority: WO
Inventors: 誠武田
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2020-05-30
Also published as: JP2019100602A

Abstract

【課題】磁気ヒートポンプ装置の効率を高めつつ、出力変動を抑えた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は、回転軸に固定された永久磁石３とその永久磁石３の外周側に円周方向に沿って配置された磁性材料と、上記永久磁石３の回転に同期して、上記磁性材料に対する作業流体の流入・流出を行う弁と、を備える磁気ヒートポンプ装置であって、上記作業流体が通過可能な通過路空間を、上記円周方向に沿って並ぶように複数形成し、上記通過路空間を形成する壁面の少なくとも一部を磁性材料で形成した。

Description

磁気ヒートポンプ装置

　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は、特許文献１に記載のように、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複数の作業室が配列し、各作業室に磁気材料が収納されている。そして、永久磁石の回転に同期して、上記磁性材料に対する作業流体（熱交換媒体）の流入・流出を行う弁を備える。
　各作業室の装置長手方向端部の開口部には、特許文献１や図１に示すように、連通孔プレート１で閉塞さ、その連通孔プレート１（バルブプレート）に各作業室２への連通孔１ａ、１ｂが形成されている。連通孔１ａ、１ｂは、例えば外周側の流出用連通孔と内周側の流入用連通孔を構成する。

　その連通孔プレート１の前側には、永久磁石３の回転と共に回転するロータリー弁の回転ディスク４を備える。回転ディスク４には、円周方向に延びるスリット状の切欠き４ａ、４ｂが弁のポートとして開口し、そのスリットを介して作業流体の供給制御が行われる。ここで例えばスリットのうち、外周側が流出用であり、内周側が流入用である。

特許第５４８８５８０号公報（段落０２３８、図１６、図１８参照）

　例えば、回転ディスク４の流入側の切欠き４ａ、４ｂと連通孔プレート１の連通孔１ａ、１ｂとの重なりが、図２のような位置となった場合、作業流体が、真ん中の連通孔１ａ、１ｂに対応する作業室２内と共に、左右に連通孔１ａ、１ｂに対応する作業室２にも流れ込む。
　ここで、切欠き４ａ、４ｂの長さは永久磁石３の極の長さに合わせて設計されているため、この流入が磁場印加による加熱側の場合、図３に示すように、中央の作業室２の磁性材料は、磁場印加されているが、左右の作業室２の磁性材料は、部分的にしか磁場印加が行われていないために、非磁性空間（図３中符号１０部分）にも作業流体が流れることとなる。これは冷却側でも同様である。

　以上のことから、非励磁／消磁空間にも磁気履歴の性能が低下し、また、回転ディスク４に設けた切欠き４ａ、４ｂの円周方向長さ（円周方向の角度）によって、作業流体が流れる作業室２による空間面積が変動して、出力の変動に繋がるという課題がある。
　本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、磁気ヒートポンプ装置の効率を高めつつ、出力変動を抑えた磁気ヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

　課題を解決するために、本発明の一態様の磁気ヒートポンプ装置は、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、上記永久磁石の回転に同期して、上記磁性材料に対する作業流体の流入・流出を行う弁と、を備える磁気ヒートポンプ装置であって、上記作業流体が通過可能な通過路空間を、上記円周方向に沿って並ぶように複数形成し、上記通過路空間を形成する壁面の少なくとも一部を磁性材料で形成したことを要旨とする。

　本発明の一態様によれば、収容した粒状などの磁性材料の隙間を作業流体が流れるのでなく、磁性材料で壁面を形成した通過路空間に作業流体を流す構成となる。このため、実質的に、従来の作業室を円周方向にさらに独立した複数の区画に分けることが可能となるので、励磁空間及びその近傍にだけ作業流体を流すことが可能となり、磁気ヒートポンプ装置の効率を高めつつ、出力変動を抑えた磁気ヒートポンプ装置を提供することが可能となる。

　さらに、磁性材料で壁面を形成した通過路空間に作業流体を流す構成であることから、磁性材料内を流れる流路抵抗も下げることが可能となり、流量と周波数を向上させて磁気ヒートポンプの性能を向上することが可能となる。また、流量と周波数を向上させた分、励磁領域を狭める場合は、性能を同等に保ちつつ、磁気ヒートポンプの構成材料の中でも高価である永久磁石の必要量を低減することが可能となる。

磁気ヒートポンプ装置の構成を説明する概略分解図である。従来における、切欠きと連通孔との重なりの一例を示す図である。従来における作業室と磁極との関係を示す模式図である。壁部材と連通室とを示す長手方向から見た図である。図４のＡ－Ａ断面でみた断面図である。本発明に基づく実施形態に係る連通孔となるスリットを示す図である。連通孔を格子状に形成した例を示す図である。

　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）
　本実施形態の磁気ヒートポンプ装置の基本構成は、図１に示す従来構成と同様であるが、作業室２部分と連通孔プレート１の連通孔１ａ、１ｂ部分の構成が異なる。このため以下、作業室２部分と、連通孔プレート１の連通孔部分について説明する。

　＜作業室２＞
　永久磁石３の外周には、複数の作業室２が配置されている。複数の作業室２は、回転軸（不図示）と同心の円環状に且つ円周方向に沿って配列している。なお、作業室２の断面形状は４角形形状や多角形形状など特に限定されるものではない。
　作業室２内は、図４及び図５に示すように、作業室２内を長手方向に延びる複数の壁部材２０で円周方向に間仕切りされて、円周方向に並ぶ複数の連通室２１に区画されている。この連通室２１が通過路空間を構成する。例えば、１０個の壁部材２０で１０の通過路空間に、円周方向に向けて区画されている場合を例示している。

　各壁部材２０は、その少なくとも一部が磁性材料から形成されている。各壁部材２０の全てが磁性材料で構成されることが好ましい。なお、一部の壁部材２０に開口を設けて隣り合う連通室２１を部分的に連通させても良い。
　円周方向に沿った各壁部材２０間の寸法（連通室２１の幅）は、作業流体と磁性材料との接触による熱交換の効率に基づき設計すればよいが、例えば壁部材２０の厚さの０．０１倍以上０．５倍以下とする。

　熱交換の効率を上げるために、各壁部材２０の表面を粗面としてもよい。
　また、各壁部材２０は、磁気ヒートポンプ装置の長手方向に直線状に延在している必要はなく、蛇行するようにして長手方向に延びていても良い。この場合も、接触面積を増やすことが可能となる。
　また、各作業室２を区切る各壁６Ａも磁性材料で構成してもよい。

　＜連通プレート＞
　従来にあっては、連通孔プレート１は、円環状の作業室２の列と弁との間に介装され、各作業室２への作業流体の流出入を行う円形の連通孔１ａ、１ｂが開口している。一般に、流入用連通孔と流出用連通孔の組が、それぞれ作業室２毎に１つ又は数個形成される。
　これに対し、本実施形態では、図６に示すように、一つの作業室２毎に、更に１又は数個の連通室２１毎に連通室に対向させて、１つ又は数列のスリット１Ａを形成し、そのスリット１Ａを連通孔とする。

　各スリット１Ａは、径方向に延び、且つ複数のスリット１Ａが円周方向に沿って配列している。
　連通孔は上記構成に限定されない。例えば、図７のような作業室２に対応した開口に格子状の枠体３０を配置することで、１又は数個の連通室２１毎に数個の開口からなる連通孔１Ｂを設ける。または、作業室２の形成位置と同じ径方向位置にパンチングメタルのような、複数の小孔を連通孔として円周方向に沿って形成することで、連通室２１毎に連通室２１に対向する複数の小孔を形成しても良い。

　（動作その他）
　従来であれば、作業室２に収容した粒状体などからなる磁性材料群の隙間を作業流体が圧送されるため流路抵抗が大きい。これに対し、本実施形態では、磁性材料で壁面の少なくとも一部を形成した通過路空間に対し作業流体を流す構成である。このため磁性材料内を流れる流路抵抗も下げることが可能となり、永久磁石３の回転をより高速化するなど、磁気ヒートポンプ装置の駆動をより高くすることも可能となる。

　このとき、例えば磁石先端部の磁極部の周方向の長さを小さくして、永久磁石３を従来よりも高速で回転し、且つ励磁・消磁の頻度を増やすような構成も可能となる。
　また、本実施形態では、各作業室２を円周方向にさらに独立した区画とすることが可能となるので、磁気ヒートポンプ装置の効率を高めつつ、出力変動を抑えた磁気ヒートポンプ装置を提供することが可能となる。
　すなわち、本実施形態では、左右の作業室２の一部のみが励磁される場合（図３参照）に、左右の作業室２のうちの、その励磁されている通過路空間近傍だけに作業流体が流れる構成となる。このため、磁気ヒートポンプ装置の効率を高めつつ、出力変動を抑えた磁気ヒートポンプ装置を提供することが可能となる。

　＜通過路空間の変形例＞
　上記実施形態では、回転軸と同軸の円環状の磁性材料配置空間を、磁性材料からなる壁部材２０で円周方向に区画して、通過路空間としての複数の連通室２１を形成する場合を例示した。しかし、通過路空間はこれに限定しない。

（１）各作業室２に磁性材料を充填し、磁性材料のかたまり内に、磁気ヒートポンプ装置の長手方向に延びる複数の貫通路を形成し、その貫通路を上記通過路空間としても良い。
　例えば、作業室２に粒状の磁性材料を充填すると共に鉄製のパイプを貫通させて貫通路としても良い。
　また、作業室２に充填した粒状の磁性材料を締め固めて、長手方向に延びる貫通路を直接開口するようにしても良い。この場合、若干貫通路の壁面から外周側にも作業流体が流れるが、主な流れは貫通路位置となるように設計することができる。
　なお、作業室２を画成する壁を除去しても良い。

（２）磁性材料からなるブロック体を、作業室２を形成する円環状の磁性材料配置空間に設け、そのブロック体に長手方向に貫通する貫通孔を蜂の巣状に形成して、通過路空間とするようにしても良い。

１     連通孔プレート
１Ａ   スリット
１Ｂ   連通孔
２     作業室
３     永久磁石
４     回転ディスク
４ａ   切欠き
６Ａ   壁
２０   壁部材
２１   連通室

Claims

　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、上記永久磁石の回転に同期して、上記磁性材料に対する作業流体の流入・流出を行う弁と、を備える磁気ヒートポンプ装置であって、
　上記作業流体が通過可能な通過路空間を、上記円周方向に沿って並ぶように複数形成し、上記通過路空間を形成する壁面の少なくとも一部を磁性材料で形成したことを特徴とする磁気ヒートポンプ装置。
　上記永久磁石の外周側に設けられ円周方向に延びる作業室内を、磁気ヒートポンプ装置の長手方向に延びる複数の壁部材で、円周方向に並ぶ複数の連通室に区画して、その連通室を上記通過路空間とすると共に、上記壁部材を磁性材料で形成することを特徴とする請求項１に記載した磁気ヒートポンプ装置。
　上記永久磁石の外周側に設けられ円周方向に延びる作業室に磁性材料が設けられ、その設けられた磁性材料のかたまり内に、磁気ヒートポンプ装置の長手方向に延びる複数の貫通路を形成し、その貫通路を上記通過路空間とすることを特徴とする請求項１に記載した磁気ヒートポンプ装置。
　上記弁と上記磁性材料との間に連通孔プレートを備え、
　上記連通孔プレートに設ける、上記弁のポートと上記磁性材料側とを連通するための連通孔は、格子状の開口、径方向に延びるスリット、若しくは複数の穴からなることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか１項に記載した磁気ヒートポンプ装置。