JP2012167881A - 磁気式温度調整装置の熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ等の熱媒体流動機構を不要としエネルギー損失を低減できるようにした磁気式冷暖房装置の熱交換器を提供する。
【解決手段】磁気式冷暖房装置の熱交換器は、隔離壁によりそれぞれ区画されると共に熱媒体がそれぞれ充填された複数の熱伝達領域と、前記複数の熱伝達領域内の所定領域に磁界を発生する磁界発生部と、前記磁界発生部による発生磁界の変化により温度変化すると共に隣接する前記複数の熱伝達領域間の隔離壁を挿通して構成された磁気熱量材と、前記複数の熱伝達領域のうち第１熱伝達領域の所定領域の熱媒体中と第２熱伝達領域の所定領域外の熱媒体中とに前記磁気熱量材を回転させる回動部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気熱量効果を利用して熱交換を行う磁気式温度調整装置の熱交換器に関する。

近年、家庭用冷蔵庫等のノンフロン化や、エアコンの高効率化による二酸化炭素排出量の削減などの要求に伴い、磁気熱量効果を利用して熱交換を行い冷暖房する技術に応用することが検討されている。この技術は、磁界発生器を作動させて磁気熱量材に磁界を印加し磁性体の磁気エントロピーを増減させることにより、磁性体に放熱、吸熱させて磁気熱量効果を生じさせ、これに応じて熱媒体を介して温度を調整する技術である。

この磁気熱量効果を利用して熱交換を行うときには、例えば鉄心に巻回された巻線、高保持力の永久磁石等を用いて磁気回路を構成し、磁気熱量材に印加する印加磁界を切り替え、そして磁気回路の切替に応じて磁気熱量材を通過する媒体（例えば水）をポンプで流動させることで熱交換できる。

しかしながら、ポンプ等の熱媒体流動機構がエネルギーを大きく消費してしまうとエネルギー損失が増加し熱交換器全体のエネルギー効率が低下する。

特開２０１０−１５１４０７号公報

ポンプ等の熱媒体流動機構を不要としエネルギー損失を低減できるようにした磁気式温度調整装置の熱交換器を提供する。

実施形態によれば、隔離壁によりそれぞれ区画されると共に熱媒体がそれぞれ充填された複数の熱伝達領域と、前記複数の熱伝達領域内のそれぞれの所定領域に磁界を発生する磁界発生部と、前記磁界発生部による発生磁界の変化により温度変化すると共に隣接する前記複数の熱伝達領域間の隔離壁を挿通して構成された磁気熱量材と、前記複数の熱伝達領域のうち第１熱伝達領域の所定領域の熱媒体中と第２熱伝達領域の所定領域外の熱媒体中とに前記磁気熱量材を回転させる回動部とを備える。

一実施形態を示す磁気式冷暖房装置の熱交換器の縦断側面図 磁気熱量材の構造を概略的に示す側面図 内部構造を概略的に示す斜視図 磁気発生部と磁気熱量材との配置関係を概略的に示す構造図 磁気熱量材の温度変化を表す図 温熱の移動方向を概略的に示す図

以下、磁気式冷暖房装置の熱交換器に適用した一実施形態について図面を参照しながら説明する。
磁気式冷暖房装置は、磁界発生器を作動させて磁気熱量材に磁界を印加し磁気熱量材の磁気エントロピーを増減させることにより、磁気熱量材の内部で格子振動の度合いを変化させ、これにより磁気熱量材の温度を変化させる。これにより、磁気熱量材は磁気熱量効果により放熱、吸熱できる。この磁気熱量材に熱媒体を通ずることで冷房、暖房を行うことができる。この技術を用いて熱交換して冷暖房するためには、冷熱、温熱を効率良く分離することが求められる。そこで、本実施形態では熱交換に係るエネルギー効率を向上した熱交換器１を示す。

図１は、磁気式冷暖房装置の熱交換器の縦断面図を示しており、図２は、熱交換器の要部の側面図を示している。図１に示す左側が低温側（吸熱側）であり右側が高温側（発熱側）を示している。

図１に示すように、熱交換器１は、例えば直方体状の断熱性の外壁２に覆われた全熱交換領域が複数の熱伝達領域（熱伝達ブロック）３（３ａ、３ｂ、…、３ｚ）に区画されており、各熱伝達領域３（３ａ、３ｂ、…、３ｚ）内でそれぞれ温度が調整される構造となっている。各熱伝達領域３（３ａ、３ｂ、…、３ｚ）はそれぞれ断熱性の隔離壁４により仕切られており、これらの熱伝達領域３（３ａ、３ｂ、…、３ｚ）内には液体による熱媒体５がそれぞれ充填されている。これにより、隔離壁４は各熱伝達領域３内の熱媒体５間の熱伝導を防止している。熱媒体５は例えば水、不凍液などによる。

複数の熱伝達領域３は、低温側の吸熱領域３ａおよび高温側の発熱領域３ｚを除き、その他の熱伝達領域３ｂ、３ｃ、３ｄ…がほぼ同一容積の直方体状に構成されている。熱交換器１の一端側における低温の吸熱領域３ａは熱伝達領域３ｂ、３ｃ、３ｄ…のほぼ１／２の容積であり、逆に下部の高温側の発熱領域３ｚは熱伝達領域３ｂ、３ｃ、３ｄ…のほぼ１／２の容積となっている。

吸熱領域３ａと熱伝達領域３ｂの左半部は上下方向に接触して配置されている。吸熱領域３ａと熱伝達領域３ｃの左半部間の隔離壁４には直方体状の孔が形成されており、この孔内を通じて磁気熱量材６ａが挿通されている。この磁気熱量材６ａは円盤状のバルクに形成され隔離壁４の孔を挿通すると共に上下方向に沿って配設されている。

磁気熱量材６ａは例えばガドリニウム（Ｇｄ）強磁性体、もしくは、ランタン−鉄−シリコン（Ｌａ−Ｆｅ−Ｓｉ）系等の磁性体により磁気熱量効果を奏する物質によって構成されている。熱伝達領域３ｂの右半部と熱伝達領域３ｃの左半部は上下方向に接触して配置されており、熱伝達領域３ｃは吸熱領域３ａの右側に設けられている。熱伝達領域３ｂの右半部と熱伝達領域３ｃの左半部間の隔離壁４には直方体状の孔が形成されており、この孔内に前述とは別の磁気熱量材６ｂが埋設されている。この磁気熱量材６ｂもまた前述の磁気熱量材６ａと同様の構造に形成され、当該孔内を挿通すると共に上下方向に沿って配設されている。

熱伝達領域３ｃの右半部と熱伝達領域３ｄの左半部は上下方向に接触して配置されており、熱伝達領域３ｄは熱伝達領域３ｂの右側に設けられている。熱伝達領域３ｃの右半部と熱伝達領域３ｄの左半部間の隔離壁４には直方体状の孔が形成されており、この孔内に前述とは別の磁気熱量材６ｃが埋設されている。この磁気熱量材６ｃもまた前述の磁気熱量材６ａ、６ｂと同様の構造に形成され、当該孔内を挿通すると共に上下方向に沿って配設されている。これらの構造が図１の左右方向に複数回繰り返し構成されている。

すなわち、熱伝達領域３ｂ…３ｙは、互いの右半側部と左半側部とが上下方向に隣接して接触した構造となっており、これらの隣接する吸熱領域３ａ−熱伝達領域３ｂ間、熱伝達領域３ｂ−３ｃ間、熱伝達領域３ｃ−３ｄ間、…、熱伝達領域３ｙ−発熱領域３ｚ間を跨るように各磁気熱量材６ａ、６ｂ、６ｃ、…、６ｘおよび６ｙがそれぞれ構成されている。

各熱伝達領域３ｂ…３ｙの左半部には磁界発生部９が構成されている。この磁界発生部９は各熱伝達領域３ｂ…３ｙ内の磁気熱量材６ａ…６ｙをそれぞれ左右方向に挟んで磁界を発生し、例えば高保持力の永久磁石（例えばネオジム磁石）により構成され、永久磁石の磁界発生方向は図１の例では左右方向に異極（Ｎ、Ｓ）を有するように配設されている。すなわち、各熱伝達領域３ｂ…３ｙの左半部内（所定領域に相当）では、磁気熱量材６ａ…６ｙに静磁界が印加されるようになっている。

図１に示すように、各磁気熱量材６ａ…６ｙは互いに左右方向に離間して配列されている。これらの複数の磁気熱量材６ａ…６ｙの円盤中心には回転軸７が左右方向に挿通されており、各磁気熱量材６ａ…６ｙの円盤中心が回転軸７に固着されている。回転軸７には回転駆動部８が連結されており、回転駆動部８が正方向または逆方向の何れか一定方向に回転軸７を回転駆動することで、回転軸７の周方向に複数の磁気熱量材６ａ…６ｙを同時に回転できる。回転駆動部８は回転軸７と共に回動部Ｚを構成する。このとき、回転駆動部８が回転軸７を一定速度で回転させると回転駆動時の消費電力を一定に保持することができ初期駆動時のトルクを要しないため消費電力を抑制できる。これによりＣＯＰ（熱量対消費電力：Coefficient Of Performance）を向上できる。

図２は、この構造の要部の側面図を示しており、図１のＡ−Ａ線に沿う断面を示している。また、図３は、この構造の要部の斜視図を示している。磁界発生部９は磁気熱量材６ａの半部（図２の左半部）に磁界を印加する。磁気熱量材６ａ（６ｂ…６ｙも同様）は、断熱材１０により１６（複数）の扇型形状に区分されている。この断熱材１０はアクリルなどの常磁性体により形成され、回転軸７中心から放射状に延伸している。これにより、磁気熱量材６ａ（６ｂ…６ｙも同様）は、断熱材１０により複数の扇型形状に区分されている。これにより、隣り合う磁気熱量材６ａの扇型形状部間の伝熱を遮断することができる。

図４（ａ）は、磁界発生部の詳細構造を斜視図により示しており、図４（ｂ）は磁気熱量材との配置関係を概略的に示している。磁界発生部９は、直方体状の永久磁石１１を凹型形状のヨーク１２で挟持した構造を備える。ヨーク１２と磁気熱量材６ａとの間には熱媒体５を流動可能にするギャップが設けられており、磁気熱量材６ａが回転軸７を中心として容易に回転可能に構成されている。また、永久磁石１１と磁気熱量材６ａとの間にはわずかに隙間が設けられているが、これらの隙間には隔離壁４が断熱材として構成されている。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、磁気熱量材の各区画部の温度の傾向を示している。これらの図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、磁気熱量材６ａは断熱材１０によりそれぞれ扇型に区画されているため、磁界発生部９による磁界の有無に応じて磁気熱量材６ａの扇型形状部間の温度変化を生じる。熱伝達領域３ｂから熱伝達領域３ａにかけて、磁気熱量材６ａの扇形形状部が２つの熱伝達領域間を移動すると、この瞬間に急激な温度差を生じる（（８）と（９）の区画の温度差を参照）。

また、磁気熱量材６ａが同一の熱伝達領域（例えば３ｂ）内を移動するとこれに応じて磁気熱量材６ａの蓄積熱が熱媒体５に移動する。例えば、磁界発生部９が磁気熱量材６ａに印加する磁束密度を１Ｔとし、熱媒体５を水とすると各熱伝達領域間（例えば３ａと３ｂの間）の平均温度差は約１℃程度となる。

上記構成の作用について説明する。図６には温熱の移動方向を矢印によって図示している。
この熱交換器１が動作するときには、回転駆動部８が回転軸７を常時一定方向に回転制御する。すると、磁気熱量材６ａ…６ｙは一定速度で回転し続ける。前述したように、各熱伝達領域３ｂ…３ｙの左半部内では、各磁気熱量材６ａ…６ｙに静磁界が印加される。すると、磁気熱量材６ａ…６ｙは発熱し、その周囲に充填された熱媒体５に熱を伝達する。磁気熱量材６ａが発熱した温熱は、熱伝達領域３ｂ内の熱媒体５を通じて次の磁気熱量材６ｂに伝えられる。磁気熱量材６ｂ…６ｙは上下方向に回転し続けているため、磁気熱量材６ｂ…６ｙが発する温熱は熱伝達領域３ｂ→３ｃ→…→３ｚの順に伝えられる。したがって、吸熱領域３ａ→熱伝達領域３ｂ→３ｃ→３ｄ→…→発熱領域３ｚの順に熱媒体５の温度が上昇する。各熱伝達領域３ａ…３ｚの領域数は高温側と低温側の温度差に応じて調整すれば良い。これにより、低温側の吸熱領域３ａと高温側の発熱領域３ｚとの間には所望の温度差を生じさせることができる。結果、高温側の発熱領域３ｂの熱媒体５の温度が一番高くなり、低温側の吸熱領域３ａの熱媒体５の温度が一番低くなる。このような原理で熱交換できる。

本実施形態によれば、熱媒体５は外壁２内の各熱伝達領域３ａ…３ｚ内にそれぞれ充填されており、回転駆動部８は回転軸７により、各熱伝達領域３ｂ、３ｃ、３ｄ…の左半部（所定領域）の熱媒体５中と、これらの熱伝達領域３ｂ、３ｃ、３ｄに上下方向に隣接した熱伝達領域３ｃ、３ｄ…の右半部（所定領域外）の熱媒体５中とに磁気熱量材６ａ…６ｙを回転させている。したがって、熱媒体５を流動させる必要がなくなり、熱媒体流動機構を用いる必要がなくなる。これにより、エネルギーの損失を低減できる。

このとき、磁気熱量材６ａ…６ｙを常時一定方向に回転させているため、回転方向を切り替える必要がなくなる。例えば磁気熱量材６ａまたは永久磁石を直線（リニア）状に移動させる機構を設けると、正逆移動方向の転換などに応じて逆方向の始動トルクを要してしまい消費電力が大きくなる。本実施形態では磁気熱量材６ａ、６ｂ…６ｙを常時一定方向に回転させることで伝熱できるようになり、始動トルクを発生させることがなくなりエネルギーの損失を低減できる。

また、磁界発生部９が各熱伝達領域３ｂ、３ｃ、３ｄ…の左半部（所定領域）に発生する磁界を静磁界としているため、磁界の強弱を切り替える切替機能を別途設ける必要がなくなる。

また、磁気熱量材６ａは円盤状に構成され、断熱材１０により複数の扇型形状に成形されているため、磁気熱量材６ａの隣り合う扇型形状部間の伝熱を遮断できる。
また、回転軸７は複数の磁気熱量材６ａ…６ｙを連結して構成されており、回転駆動部８は回転軸７を通じて複数の磁気熱量材６ａ…６ｙを同時に回転させるため、複数の磁気熱量材６ａ…６ｙを別々に回転させる機構は不要となる。これにより、熱交換器１はわずかなスペースでも設置できるようになる。

（他の実施形態）
前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形または拡張が可能である。
磁気熱量材６ａ…６ｙの形状や磁界発生部９の構造は、前述実施形態に限定されるものではない。例えば、磁気熱量材６ａ…６ｙは円柱状構造に限られるものではなく矩形状などの他の形状を適用しても良い。また、磁界発生部９は永久磁石１１を用いた例を示しているが、巻線に電流を通電して磁界を発生させる磁界発生構造を適用しても良く、この磁界発生構造に永久磁石１１を組み合わせて適用しても良い。

熱媒体５としては、水が最も比熱が高く安価であるため適している。なお、０℃以下の温度では鉱油またはシリコン等のオイル系の媒体、不凍液、エチレングリコール等のアルコール類などの溶剤系媒体を適用できる。

また、熱交換サイクルの動作温度領域に合わせて、オイル系の媒体、溶剤系の媒体、水やこれらの混合液などを適宜選択できる。
磁気式冷暖房装置に適用したが、磁気式の暖房装置、冷暖房装置、例えば家庭用冷蔵庫、漁船用冷凍庫、家庭用空調機、産業用冷凍冷蔵庫、大型冷凍冷蔵倉庫、液化ガス貯蔵・運搬用冷凍庫、家庭用空調機、産業用空調機等の様々な磁気式温度調整装置に適用できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、各実施形態に示した構成、各種条件に限定されることはなく、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は磁気式冷暖房装置の熱交換器（磁気式温度調整装置の熱交換器）、２は外壁、３（３ａ…３ｚ）は熱伝達領域、４は隔離壁、５は熱媒体、６ａ…６ｙは磁気熱量材、７は回転軸、８は回転駆動部、９は磁界発生部、Ｚは回動部を示す。

Claims (5)

1. 隔離壁によりそれぞれ区画されると共に熱媒体がそれぞれ充填された複数の熱伝達領域と、
   前記複数の熱伝達領域内のそれぞれの所定領域に磁界を発生する磁界発生部と、
   前記磁界発生部による発生磁界の変化により温度変化すると共に隣接する前記複数の熱伝達領域間の隔離壁を挿通して構成された磁気熱量材と、
   前記複数の熱伝達領域のうち第１熱伝達領域の所定領域の熱媒体中と第２熱伝達領域の所定領域外の熱媒体中とに前記磁気熱量材を回転させる回動部とを備えたことを特徴とする磁気式冷暖房装置の熱交換器。
2. 前記回動部が、前記第１熱伝達領域の所定領域の熱媒体中と前記第２熱伝達領域の所定領域外の熱媒体中とに回転させるときには前記磁気熱量材を常時一定方向に回転させることを特徴とする請求項１記載の磁気式冷暖房装置の熱交換器。
3. 前記磁界発生部は、前記所定領域に発生する磁界を静磁界とすることを特徴とする請求項１または２記載の磁気式冷暖房装置の熱交換器。
4. 前記磁気熱量材は円盤状に構成され、断熱材により複数の扇型形状に区分されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の磁気式冷暖房装置の熱交換器。
5. 前記磁気熱量材は複数設けられ、
   前記回動部は、回転軸を備え当該回転軸は前記複数の磁気熱量材を連結して構成され、
   前記複数の磁気熱量材のうち第１磁気熱量材を前記第１熱伝達領域の所定領域の熱媒体中と前記第２熱伝達領域の所定領域外の熱媒体中とに回転させると共に、前記複数の磁気熱量材のうち第２磁気熱量材を前記第２熱伝達領域の所定領域の熱媒体中と第３熱伝達領域の所定領域外の熱媒体中とに同時に回転させることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の磁気式冷暖房装置の熱交換器。

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