JP2012237544A - 磁気ヒートポンプシステム及び該システムを用いた空気調和装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】磁気ヒートポンプシステムにおいて、磁気熱量効果材料と熱交換を行う熱輸送媒体として熱伝達効率の高い熱輸送媒体を使用して冷房能力を向上させる。
【解決手段】磁気熱量効果材料２６を内蔵して熱輸送媒体４２が流通する容器２５に印加する磁場の大きさを磁場変更機構２２で変更し、ポンプ１３で容器２５の両端部の間で熱輸送媒体４２を往復移動させ、容器２５の一方の端部から排出された熱輸送媒体４２の熱をヒータユニット５で放熱し、容器２５の他方の端部から排出された熱輸送媒体４２に対して外部の熱をクーラユニット２で吸熱する磁気ヒートポンプシステムにおいて、熱輸送媒体４２中に熱輸送媒体４２より熱伝導率又は比熱の高い物質４０を混入させ、磁気熱量効果材料２６との熱伝達率を向上させた磁気冷凍システムである。媒体より熱伝導率又は比熱の高い物質にはカーボンナノチューブを使用することができる。
【選択図】図２
【解決手段】磁気熱量効果材料２６を内蔵して熱輸送媒体４２が流通する容器２５に印加する磁場の大きさを磁場変更機構２２で変更し、ポンプ１３で容器２５の両端部の間で熱輸送媒体４２を往復移動させ、容器２５の一方の端部から排出された熱輸送媒体４２の熱をヒータユニット５で放熱し、容器２５の他方の端部から排出された熱輸送媒体４２に対して外部の熱をクーラユニット２で吸熱する磁気ヒートポンプシステムにおいて、熱輸送媒体４２中に熱輸送媒体４２より熱伝導率又は比熱の高い物質４０を混入させ、磁気熱量効果材料２６との熱伝達率を向上させた磁気冷凍システムである。媒体より熱伝導率又は比熱の高い物質にはカーボンナノチューブを使用することができる。
【選択図】図２
Description
本発明は、磁気ヒートポンプシステム及び該システムを用いた空気調和装置に関するものである。本発明では、磁気ヒートポンプシステムの熱輸送媒体として、熱輸送媒体中に熱輸送媒体より熱伝導率の高い媒体を混入した熱輸送媒体、或いは熱輸送媒体中に熱輸送媒体より比熱もしくは容積比熱の高い物質を混入した熱輸送媒体を使用する。このような媒体の使用により、冷房能力及び暖房能力を向上させた磁気ヒートポンプシステム及び該磁気ヒートポンプシステムを用いた空気調和装置が提供される。
従来、車両用の空気調和装置、例えば、自動車や鉄道車両の空気調和装置のヒートポンプシステムとして磁気ヒートポンプシステムが知られている。この磁気ヒートポンプシステムを鉄道車両用空調システムに適用したものが特許文献１に記載されている。磁気ヒートポンプシステムとは、ある種の磁性体（特許文献１では磁気作業物質と記載されるが、本願では磁気熱量効果材料という）に磁場を加えていくと、磁気熱量効果材料が発熱し、磁場を取り去るとその温度が下がる現象（磁気熱量効果）を利用したヒートポンプシステムである。
このような磁気ヒートポンプシステムは、気体ヒートポンプシステムと比較すると、気体ヒートポンプに使用されるフロンや代替フロンを使用しないので環境に優しい。また、磁気ヒートポンプシステムは、気体ヒートポンプに必要なコンプレッサを使用した圧縮過程や膨張過程が不要であり、エネルギー効率が高い。磁気ヒートポンプシステムに必要な構成は、磁気熱量効果材料を通過させて熱交換を行う熱輸送媒体の移動を行うポンプと、磁気熱量効果材料に磁場変化を与える磁場印加装置のみである。
一方、従来の磁気ヒートポンプシステム並びに磁気ヒートポンプシステムを用いた空気調和装置では、磁気熱量効果材料を通過させて熱交換を行う熱輸送媒体として、水、或いは不凍液（ロングライフクーラント：ＬＬＣ）が使用されている。水或いは不凍液は一般的な熱運搬媒体であり、その熱交換能力がそれほど高くない。このため、水或いは不凍液を使用して冷房能力を向上させるためには、磁気ヒートポンプシステムを大型化する必要があり、磁気ヒートポンプシステムの重量が重くなるという課題があった。
本発明は、上記課題に鑑み、磁気ヒートポンプシステム並びに磁気ヒートポンプシステムを用いた空気調和装置において、磁気熱量効果材料と熱交換を行う熱輸送媒体として、熱伝達効率の高い熱輸送媒体を使用することにより、磁気ヒートポンプシステムを大型化することなく、冷房能力を向上させることができる磁気ヒートポンプシステム並びに磁気ヒートポンプシステムを用いた空気調和装置を提供するものである。
上記課題を解決するために、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料（２６）が内部に配置されると共に、その内部を熱輸送媒体（４２）が流通するように形成された容器（２５）と、前記磁気熱量効果材料（２６）へ印加する磁場の大きさを変更する磁場変更手段（２２）と、前記磁気熱量効果材料（２６）が内部に配置された前記容器（２５）の両端部の間で、前記熱輸送媒体（４２）を往復移動させる熱輸送媒体移動手段（１３）と、前記容器（２５）の一方の端部側から排出された前記熱輸送媒体（４２）が有する熱を外部へ放熱する放熱手段（５）と、前記容器（２５）の他方の端部側から排出された前記熱輸送媒体（４２）に対して外部の熱を吸熱する吸熱手段（２）と、を備える磁気ヒートポンプシステムにおいて、
請求項１の発明は、前記熱輸送媒体（４２）中に前記熱輸送媒体（４２）より熱伝導率の高い物質（４０）を混入させたことを特徴とする磁気ヒートポンプシステムであり、請求項２の発明は、前記熱輸送媒体（４２）中に前記熱輸送媒体（４２）より比熱もしくは容積比熱の高い物質（４０）を混入させたことを特徴とする磁気ヒートポンプシステムである。
請求項１の発明は、前記熱輸送媒体（４２）中に前記熱輸送媒体（４２）より熱伝導率の高い物質（４０）を混入させたことを特徴とする磁気ヒートポンプシステムであり、請求項２の発明は、前記熱輸送媒体（４２）中に前記熱輸送媒体（４２）より比熱もしくは容積比熱の高い物質（４０）を混入させたことを特徴とする磁気ヒートポンプシステムである。
これにより、磁気熱量効果材料との熱伝達率を向上させて磁気熱量効果材料と熱輸送媒体との熱交換を高速で行うことができ、磁気ヒートポンプシステムを高速駆動できる。
請求項３の発明は、請求項１に記載の発明において、前記熱輸送媒体（４２）より熱伝導率の高い物質（４０）が、カーボンナノチューブ、グラフェン、アルミナ及び金粒子の何れかであることを特徴とする磁気ヒートポンプシステムである。
これにより、熱輸送媒体より熱伝導率の高い物質として、種々の物質が使用できることがわかる。
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記熱輸送媒体（４２）より比熱もしくは容積比熱の高い物質（４０）が、潜熱蓄熱材料であることを特徴とする磁気ヒートポンプシステムである。
これにより、熱輸送媒体より比熱もしくは容積比熱の高い物質として、潜熱蓄熱材料を使用することができることがわかる。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記潜熱蓄熱材料がそれぞれ、パラフィン、エリスリトール、スレイトール、ナフタリン、ポリエチレン及びステアリン酸の何れかであることを特徴とする磁気ヒートポンプシステムである。
これにより、潜熱蓄熱材料として、種々の物質が使用できることがわかる。
請求項６の発明は、請求項１から５の何れか１項に記載の発明において、熱輸送媒体中に微小な磁性体（４１）を混入したことを特徴とする磁気ヒートポンプシステムである。
これにより、熱輸送媒体が磁場変化付与機構により撹拌され、撹拌時に媒体より熱伝導率の高い物質も撹拌するので、熱伝達率が向上する。
請求項７の発明は、請求項１から１３の何れか１項に記載の発明において、前記媒体より熱伝導率の高い物質（４０）自体に磁性体を配合したことを特徴とする磁気ヒートポンプシステムである。
これにより、媒体より熱伝導率の高い物質自体が磁場変化付与機構により撹拌されるので、熱伝達率が向上する。
請求項８の発明は、請求項２、４、５の何れか１項に記載の発明において、前記媒体より比熱もしくは容積比熱の高い物質（４０）自体に磁性体を配合したことを特徴とする磁気ヒートポンプシステムである。
これにより、媒体より比熱もしくは容積比熱の高い物質自体が磁場変化付与機構により撹拌されるので、熱伝達率が向上する。
請求項９の発明は、請求項１から５の何れか１項に発明において、前記容器（２５）内に、熱輸送媒体を撹拌する撹拌構造（５０）を設けたことを特徴とする磁気ヒートポンプシステムである。
これにより、熱輸送媒体が撹拌構造によって容器内で撹拌されるので、熱伝達率が向上する。
請求項１０の発明は、請求項９に記載の発明において、前記撹拌構造（５０）は、前記容器（２５）の筐体内に少なくとも１箇所設けた、磁場変化に追従して回転する撹拌子と、該撹拌子の回転空間（５２）を確保する回転空間形成枠（５３）であることを特徴とする磁気ヒートポンプシステムである。
これにより、熱輸送媒体が容器内において磁場変化に追従して回転する撹拌子によって強制的に回転させられるので、熱輸送媒体が撹拌されて熱伝達率が向上する。
請求項１１の発明は、請求項９に記載の発明において、前記撹拌構造（５０）が、前記磁気熱量効果材料（２６）の前記容器（２５）内への配置であり、前記磁気熱量効果材料（２６）を柱状に形成し、複数の柱状の前記磁気熱量効果材料（２６）を、前記磁気熱量効果材料（２６）の間を流れる熱輸送媒体の流れが乱れるように配置したことを特徴とする磁気ヒートポンプシステムである。
これにより、熱輸送媒体が材料容器内を流れるだけで、磁気熱量効果材料の配置によって撹拌されるので、熱伝達率が向上する。
請求項１２の発明は、請求項１から１１の何れか１項に記載の磁気ヒートポンプシステム（３０）の何れかを用いた空気調和装置（１０）であって、前記熱輸送媒体移動手段（１３）は、モータ（２０）に駆動される回転軸（２１）により駆動され、前記回転軸（２１）の周囲に備えられた複数のシリンダから前記熱輸送媒体移動手段（１３）の両側にある前記容器（２５）に熱輸送媒体（４２）を吐出、或いは前記容器（２５）から熱輸送媒体を吸引するように構成され、
磁場変更手段（２２，２３）は、前記回転軸（２１）に取り付けられたロータ（２２）の外周面に設置された永久磁石（２３）により構成され、
前記容器（２５）に接続する循環路（１５，１６）は、前記吸熱手段（２）を備えた第１の循環路（１５）と前記放熱手段（５）を備えた第２の循環路（１６）から構成され、
前記第１の循環路（１５）では、熱輸送媒体（４２）の前記容器（２５）からの吐出時に前記永久磁石（２３）が前記磁気熱量効果材料（２６）への磁場を除去するように動作し、前記第２の循環路（１６）では、熱輸送媒体（４２）の前記容器（２５）からの吐出時に前記永久磁石（２３）が前記磁気熱量効果材料（２６）に磁場を印加するように動作することを特徴とする空気調和装置である。
磁場変更手段（２２，２３）は、前記回転軸（２１）に取り付けられたロータ（２２）の外周面に設置された永久磁石（２３）により構成され、
前記容器（２５）に接続する循環路（１５，１６）は、前記吸熱手段（２）を備えた第１の循環路（１５）と前記放熱手段（５）を備えた第２の循環路（１６）から構成され、
前記第１の循環路（１５）では、熱輸送媒体（４２）の前記容器（２５）からの吐出時に前記永久磁石（２３）が前記磁気熱量効果材料（２６）への磁場を除去するように動作し、前記第２の循環路（１６）では、熱輸送媒体（４２）の前記容器（２５）からの吐出時に前記永久磁石（２３）が前記磁気熱量効果材料（２６）に磁場を印加するように動作することを特徴とする空気調和装置である。
これにより、空気調和装置における冷房能力が向上する。
請求項１３の発明は、請求項１２に記載の発明において、前記第１の循環路（１５）には、前記容器（２５）から吐出された冷却された熱輸送媒体（４２）を前記吸熱手段（２）を通さずに前記容器（２５）に戻すための第１のバイパス通路（１７Ａ）が設けられており、
前記第２の循環路（１６）には、前記容器（２５）に戻る前に外気から吸熱を行う室外器（１４）を備えた第２のバイパス通路（１８Ａ）が設けられていて、
前記空気調和装置（１０）の暖房時に、前記第１の循環路（１５）の熱輸送媒体（４２）は、前記第１のバイパス通路（１７Ａ）を通り、
前記空気調和装置（１０）の冷房時に、前記第２の循環路（１６）の熱輸送媒体（４２）は、前記第２のバイパス通路（１８Ａ）を通ることを特徴とする空気調和装置である。
前記第２の循環路（１６）には、前記容器（２５）に戻る前に外気から吸熱を行う室外器（１４）を備えた第２のバイパス通路（１８Ａ）が設けられていて、
前記空気調和装置（１０）の暖房時に、前記第１の循環路（１５）の熱輸送媒体（４２）は、前記第１のバイパス通路（１７Ａ）を通り、
前記空気調和装置（１０）の冷房時に、前記第２の循環路（１６）の熱輸送媒体（４２）は、前記第２のバイパス通路（１８Ａ）を通ることを特徴とする空気調和装置である。
これにより、空気調和装置の暖房時に、容器から吐出された冷却された熱輸送媒体がクーラユニットを通らずに容器に戻るので空気調和装置の暖房能力が向上する。また、空気調和装置の冷房時に、容器に吸引される熱輸送媒体の温度が第２のバイパス通路を通って室外器によって下がるので、空気調和装置の冷房能力が向上する。
請求項１４の発明は、請求項１３に記載の発明において、前記第１の循環路（１５）には、前記空気調和装置（１０）の冷房時に、前記容器（２５）に吸引される熱輸送媒体の温度を下げるための室外器（１４）を備えた第３のバイパス通路（１９Ａ）が更に設けられていることを特徴とする空気調和装置である。
これにより、空気調和装置の冷房時に、容器に吸引される熱輸送媒体の温度が第３のバイパス通路を通って室外器によって下がるので、空気調和装置の冷房能力が向上する。
なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。また、各実施態様についても、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略化する。
図１は、本発明に係る磁気ヒートポンプシステム３０を用いた車両用の空気調和装置１０の構成を示すものである。空気調和装置１０は車両の室内側にあり、その装置本体１の中に吸熱手段としてのクーラユニット２がある。また、クーラユニット２の下流側には、冷房通路３と、熱輸送媒体が有する熱を外部へ放熱する放熱手段としてのヒータユニット５とヒータコア６を備える暖房通路４とがある。そして、冷房通路３と暖房通路４の入口部にはエアミックスダンパ７が設けられており、エアミックスダンパ７の移動によってクーラユニット２を通過した気流を冷房通路３に流すか、暖房通路４を流すかの調節が行われるようになっている。
一方、車両のエンジンルーム内には、モータ２０によって駆動される回転軸２１によって動作する冷却水製造部１１、温水製造部１２及び熱輸送媒体移動手段である往復動ポンプ１３がある。往復動ポンプ１３は熱輸送媒体を往復移動させる。冷却水製造部１１、温水製造部１２及び往復動ポンプ１３の内部構造については後述する。冷却水製造部１１は磁気の作用で熱輸送媒体を冷却するものであり、冷却水製造部１１で冷却された熱輸送媒体は往復動ポンプ１３によって冷却水循環路（第１の循環路）１５に吐出され、クーラユニット２に送られた後に冷却水製造部１１に戻ってくる。逆に、温水製造部１２は磁気の作用で熱輸送媒体を加熱するものであり、温水製造部１２で加熱された熱輸送媒体は往復動ポンプ１３によって温水循環路（第２の循環路）１６に吐出され、ヒータユニット５に送られた後に温水製造部１２に戻ってくる。
一方、空気調和装置１０では、その暖房通路４に設けられたヒータコア６に、エンジン８を冷却して暖められた冷却水（クーラント）がクーラント循環路９を通じて供給され、ヒータユニット５と共に暖房通路４を通る気流を暖める。ヒータコア６は本発明には直接関係がないので、ヒータコア６についてはこれ以上の説明を省略する。
ここで、冷却水循環路１５と温水循環路１６の構成について詳細に説明する。冷却水製造部１１には複数のシリンダがあり、各シリンダには枝管１５Ａが接続されている。複数の枝管１５Ａは集合され、供給管１５Ｂとなってクーラユニット２に熱輸送媒体を供給する。クーラユニット２から排出された熱輸送媒体は、戻り管１５Ｃによって冷却水製造部１１まで戻り、各シリンダに接続された枝管１５Ｄに分配されて各シリンダに戻る。供給管１５Ｂと戻り管１５Ｃの間には、クーラユニット２をバイパスするバイパス管（第１のバイパス通路）１７Ａが設けられている。バイパス管１７Ａは、戻り管１５Ｃには直接接続されるが、供給管１５Ｂには第１の流路切換弁１７を介して接続されている。
暖房時には、第１の流路切換弁１７の切り換えにより、供給管１５Ｂを流れる熱輸送媒体は、クーラユニット２を経由せず、バイパス管１７Ａを経由して冷却水製造部１１まで戻ることができる。更に、戻り管１５Ｃの枝管１５Ｄの上流側には、第３の流路切換弁１９があり、第３の流路切換弁１９には室外器１４を経由して第３の戻り管１５Ｃに戻る迂回管（第３のバイパス通路）１９Ａが接続されている。暖房時には、第３の流路切換弁１９の切り換えにより、戻り管１５Ｃを流れてきた熱輸送媒体は、第３の流路切換弁１９から迂回管１９Ａに流れ、室外器１４で外気から吸熱して迂回管１９Ａから戻り管１５Ｃに再流入する。戻り管１５Ｃに再流入した熱輸送媒体は冷却水製造部１１に戻る。
同様に、温水製造部１２には熱輸送媒体を加熱して温水にする複数のシリンダがあり、各シリンダには枝管１６Ａが接続されている。複数の枝管１６Ａは集合され、供給管１６Ｂとなってヒータユニット５に熱輸送媒体を供給する。ヒータユニット５から排出された熱輸送媒体は、戻り管１６Ｃによって温水製造部１２まで戻り、前述の各シリンダに接続された枝管１６Ｄに分配されて各シリンダに戻る。枝管１６Ｄの上流側の戻り管１６Ｃには、第２の流路切換弁１８があり、第２の流路切換弁１８には室外器１４を経由して戻り管１６Ｃに戻る迂回管（第２のバイパス通路）１８Ａが接続されている。第２の流路切換弁１８の切り換えにより、戻り管１６Ｃを流れてきた熱輸送媒体は、温水製造部１２に戻る前に迂回管１８Ａに流れ、室外器１４で外気から吸熱してから、温水製造部１２に戻ることができる。
ここで、図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）〜（ｃ）を用いて冷却水製造部１１、温水製造部１２及び往復動ポンプ１３の内部構造について説明する。なお、図２（ａ）は往復動ポンプ１３にラジアルピストンポンプを使用した実施例を示し、図２（ｂ）は、往復動ポンプ１３に斜板コンプレッサを使用した実施例を示している。往復動ポンプ１３に対して左右逆に取り付けられる冷却水製造部１１と温水製造部１２の構造は同じであるので、同じ構成部材には同じ符号を付し、代表として、往復動ポンプ１３がラジアルピストンポンプである場合の冷却水製造部１１の構造について説明する。
冷却水製造部１１は、回転軸２１に対して同心円状に配置された円筒状のヨーク部２４を備えており、回転軸２１には図３（ａ）、（ｃ）に示すような、断面が扇状のロータ２２が対向して設けられている。そして、ロータ２２の外周面には永久磁石２３が設置されている。永久磁石２３の一方は外側がＮ極であり、他方は外側がＳ極である。そして、永久磁石２３の回転軌跡の外側とヨーク部２４の内周面との間には、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料２６が充填された複数の材料容器２５が配置される。磁気熱量効果材料２６が充填された材料容器２５は熱輸送媒体を流通させる。
材料容器２５は図３（ｂ）に示すように、その外形が断面が扇紙型の筒状をしており、内部の空間にペレット状の磁気熱量効果材料２６が充填され、両端部がメッシュ状の端板２５Ｍで塞がれて、磁気熱量効果材料２６を閉じ込めている。液体は材料容器２５の一端から端板２５Ｍを通って内部に進入し、磁気熱量効果材料２６の間の隙間を通って反対側の端部から端板２５Ｍを通って外部に抜け出ることができる。この実施例では、ヨーク部２４の内周面に６個の同じ形状の材料容器２５が配置されており、材料容器２５の内周面側を、ロータ２２の外周面に取り付けられた永久磁石２３が回転移動する。ロータ２２、永久磁石２３及びヨーク部２４が、材料容器２５に充填された磁気熱量効果材料２６に与える磁場の大きさを変更する磁場変更手段として機能する。
図２（ａ）に戻って説明を続けると、この実施例では往復動ポンプ１３がラジアルピストンポンプで構成されており、ラジアルピストンポンプ１３の本体は、冷却水製造部１１及び温水製造部１２のヨーク部２４と一体的に形成されている。ラジアルピストンポンプ１３には、冷却水製造部１１にある材料容器２５の個数に合わせて６つのシリンダ３４が回転軸２１に対して放射状に設けられており、各シリンダ３４の内部には往復動するピストン３３が設けられている。一方、モータ２０によって回転する回転軸２１には回転軸２１に対して偏心している制御カム３２Ａが取り付けられており、制御カム３２Ａのカムプロファイル（輪郭）に各ピストン３３が係合している。制御カム３２Ａが１回転すると、各シリンダ３４内のピストン３３が１往復する。回転軸２１から遠い側の各シリンダ３４の側面は、連絡通路３８によって冷却水製造部１１と温水製造部１２の各材料容器２５の端面に接続されている。
図２（ａ）に示す実施例では、ラジアルピストンポンプ１３から遠い側の冷却水製造部１１の端面には、端面板２９が取り付けられている。端面板２９には、各材料容器２５の端面に熱輸送媒体を導き入れる吸入弁２８と、各材料容器２５の端面から排出される熱輸送媒体を吐出する吐出弁２７とが設けられている。吐出弁２７には図１で説明した冷却水循環路１５の供給管１５Ｂの枝管１５Ａが接続し、吸入弁２８には図１で説明した冷却水循環路１５の戻り管１５Ｃの枝管１５Ｄが接続する。以上、冷却水製造部１１の構造を説明したが、往復動ポンプ１３がラジアルピストンポンプの場合は、冷却水製造部１１と温水製造部１２における永久磁石２３の回転軸２１に対する位置は、９０度ずれている。
図２（ｂ）に示す実施例では、往復動ポンプ１３が斜板コンプレッサで構成されており、斜板コンプレッサ１３は冷却水製造部１１と温水製造部１２とは別体となっている。斜板コンプレッサ１３には、冷却水製造部１１にある材料容器２５の個数に合わせて６つのシリンダ３４があり、各シリンダ３４の内部には往復動するピストン３３が設けられている。そして各ピストン３３には、モータ２０によって回転する回転子３１に取り付けられた斜板３２Ｂの外周部が係合している。斜板３２Ｂは、回転子３１に対して斜めに取り付けられており、回転子３１が１回転すると、斜板３２Ｂは各シリンダ３４内のピストン３３を１往復させる。各シリンダ３４の冷却水製造部１１側及び温水製造部１２側の端面は、連絡管３７を通る連絡通路３８によって冷却水製造部１１の各材料容器２５の端面に接続されている。３６はギヤである。
前述のように、冷却水製造部１１の構成と同様に構成された温水製造部１２では、往復動ポンプ１３と反対側の端面板２９にある吐出弁２７に、図１で説明した温水循環路１６の供給管１６Ｂの枝管１６Ａが接続し、吸入弁２８には図１で説明した温水循環路１６の戻り管１６Ｃの枝管１６Ｄが接続する。そして、往復動ポンプ１３においてピストン３３が動作し、冷却水製造部１１のある材料容器２５において熱輸送媒体が吸引されると、往復動ポンプ１３がラジアルピストンポンプの場合には、対向する温水製造部１２の対応する材料容器２５において熱輸送媒体が同様に吸引されるが、往復動ポンプ１３が斜板コンプレッサの場合には、対向する温水製造部１２の対応する材料容器２５において熱輸送媒体が逆に吐出される。
冷却水製造部１１側では、材料容器２５から熱輸送媒体が吐出される時に、材料容器２５内にある磁気熱量効果材料２６に印加されていた磁場を除去することにより、磁気熱量効果材料２６の温度が下がり、吐出される熱輸送媒体が冷却されて冷却水循環路１５に送り込まれる。逆に、温水製造部１２側では、材料容器２５から熱輸送媒体が吐出される時に、材料容器２５内にある磁気熱量効果材料２６に磁場を印加することにより、磁気熱量効果材料２６が発熱し、吐出される熱輸送媒体が加熱されて温水循環路１６に送り込まれる。永久磁石２３は、以上のような動作が行えるように、ロータ２２に配置されている。
以上のように構成された磁気ヒートポンプシステム３０及び磁気ヒートポンプシステム３０を組み込んだ空気調和装置１０において、本発明では熱輸送媒体中に熱輸送媒体より熱伝導率の高い物質を混入させる。熱輸送媒体より熱伝導率の高い物質としては、例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン、アルミナ及び金粒子等がある。熱輸送媒体中に熱輸送媒体より熱伝導率の高い物質を混入させると、熱輸送媒体の熱伝達率が向上する。この結果、熱輸送媒体が材料容器２５内を通過する時に、磁気熱量効果材料２６との熱交換が良好に行われ、熱輸送媒体が短時間で冷却、或いは加熱される。これにより、同じ温度の熱輸送媒体で良い場合は、材料容器２５を通過させる熱輸送媒体の速度を向上させることができ、冷間始動後の空気調和装置１０の冷却機能、或いは暖房機能の立ち上がり時間を短くすることができる。また、材料容器２５を通過させる熱輸送媒体の速度を同じにした場合は、材料容器２５を通過した熱輸送媒体の温度低下、或いは温度上昇が大きく、空気調和装置１０の冷却能力、或いは暖房能力を向上させることができる。
ここで、熱輸送媒体中に熱輸送媒体より熱伝導率の高い物質を混入させた場合、特に、カーボンナノチューブを混入させた場合を考える。この場合、図４（ａ）に示すように、薄板状の材料２６の間にある熱輸送媒体４２に混入させたカーボンナノチューブ４０が、両端が材料２６の方向を向いた同じ方向に揃っている（配向されている）場合は、熱伝達率が向上する。一方、図４（ｂ）に示すように、薄板状の材料２６の間にある熱輸送媒体４２に混入させたカーボンナノチューブ４０が、両端が材料２６に平行な同じ方向に揃ってしまった場合は、熱伝達率が向上しない。また、熱輸送媒体４２に混入させたカーボンナノチューブ４０が凝集してしまった場合も熱伝達率が向上しない。なお、凝集に関しては、カーボンナノチューブ以外の熱輸送媒体より熱伝導率の高い物質を熱輸送媒体中に混入させた場合でも、凝集が起こると熱伝導率が向上しない。
そこで、熱輸送媒体４２に混入させたカーボンナノチューブ４０が、薄板状の材料２６の間を通過する際には、図４（ｃ）に示すように、カーボンナノチューブ４０が凝集しておらず、その配向方向が一様でないようにする。カーボンナノチューブ４０が凝集しておらず、その配向方向が一様でない場合は、熱輸送媒体４２の熱伝達率が低下しない。このための第１の方法は、熱輸送媒体４２の中にカーボンナノチューブ４０を混入させると共に、熱輸送媒体４２の中に、図４（ｄ）に示すように微小な磁性体４１を混入する方法である。また、カーボンナノチューブ４０自体に磁性体、例えば鉄成分を配合することも可能である。
微小な磁性体４１、或いは磁性体４１を配合したカーボンナノチューブ４０は、熱輸送媒体４２が材料容器２５内を通過する際に、材料容器２５に印加される磁場の変化で流動する。カーボンナノチューブ４０の流動によって、熱輸送媒体４２の中のカーボンナノチューブ４０の配向方向が乱れる。この結果、カーボンナノチューブ４０を混入させた熱輸送媒体４２が材料容器２５を通過する際の熱輸送媒体４２の熱伝達率が低下しない。
熱輸送媒体４２に混入させたカーボンナノチューブ４０を、材料容器２５内で一様でないようにする第２の方法は、熱輸送媒体４２を材料容器２５内で強制的に掻き混ぜる方法である。このいくつかの実施例を図５から図１０を用いて説明する。
図５及び図６は第２の方法を実現する材料容器２５の構成の第１の形態の撹拌構造５０の構成を示すものである。第１の形態では、図５（ａ）に示すように、材料容器２５の筐体内に磁場変化に追従して回転する撹拌子５１を組み込んでいる。即ち、第１の形態では、材料容器２５を第１の材料容器２５Ａと第２の材料容器２５Ｂに分け、第１の材料容器２５Ａと第２の材料容器２５Ｂの両端部に撹拌子５１を組み込んでいる。撹拌子５１は断面形状が第１の材料容器２５Ａと第２の材料容器２５Ｂの断面形状と同じ枠体（回転空間形成枠）５３の中に挿入し、枠体５３の内側にある回転空間５２で回転できるようにする。この形態では、第１の材料容器２５Ａと第２の材料容器２５Ｂの外側に位置する枠体５３の外側の端面には、図３（ｂ）で説明したメッシュ状端板２５Ｍと同様のメッシュ状端板２５Ｍを取り付けているが、これは無くても良い。
図５（ｂ）は、往復動ポンプ１３が斜板コンプレッサである場合の、図５（ａ）のように構成された撹拌構造５０が組み込まれた冷却水製造部１１の構成を示すものであり、図５（ｃ）は図５（ｂ）のＢ‐Ｂ線における断面図である。撹拌構造５０に組み込まれた撹拌子５１は枠体５３の回転空間５２で回転できるようになっており、その回転動作を図６（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。撹拌子５１は磁化しておき、Ｎ極とＳ極の極性を持たせておく。ここでは、１つの回転空間５２内の撹拌子５１の回転動作について説明する。
１つの回転空間５２内の撹拌子５１として、図６（ａ）の左側の撹拌子５１の回転について説明する。この撹拌子５１を撹拌子５１Ａとする。図６（ａ）は１つの永久磁石２３の外周面が横方向を向いており、永久磁石２３のＮ極が撹拌子５１Ａの真横にある状態を示している。この状態では撹拌子５１ＡのＳ極が永久磁石２３のＮ極と引き合っており、撹拌子５１Ａは水平方向を向いている。
図６（ｂ）は図６（ａ）の状態からロータ２２が６０度、時計回りに回転した状態を示している。この状態では永久磁石２３のＮ極が撹拌子５１Ａの右上方向に離れ、これに追従して撹拌子５１ＡのＳ極が永久磁石２３のＮ極がある方向に、半時計周りに回転する。図６（ｃ）は図６（ｂ）の状態からロータ２２が６０度、時計回りに回転した状態を示している。この状態では永久磁石２３のＮ極が撹拌子５１Ａの右上方向に離れてゆき、代わりにもう１つの永久磁石２３のＳ極が右下側から接近してくる。すると今度は撹拌子５１のＮ極がこの永久磁石２３のＳ極に引かれ、撹拌子５１ＡのＮ極が永久磁石２３のＳ極がある方向に、半時計周りに回転する。
図６（ｄ）は図６（ｃ）の状態からロータ２２が６０度、時計回りに回転した状態を示しており、別の永久磁石２３の外周面が横方向を向いた状態、即ち、永久磁石２３のＳ極が撹拌子５１Ａの真横にある状態を示している。この状態では撹拌子５１ＡのＮ極が永久磁石２３のＳ極と引き合っており、撹拌子５１Ａは水平方向を向いている。図６（ｅ）は図６（ｄ）の状態からロータ２２が６０度、時計回りに回転した状態を示している。この状態では永久磁石２３のＳ極が撹拌子５１Ａの右上方向に離れ、これに追従して撹拌子５１ＡのＮ極が永久磁石２３のＳ極がある方向に、半時計周りに回転する。
図６（ｆ）は図６（ｅ）の状態からロータ２２が６０度、時計回りに回転した状態を示している。この状態では永久磁石２３のＳ極が撹拌子５１Ａの右上方向に離れてゆき、代わりに最初の永久磁石２３のＮ極が右下側から接近してくる。すると今度は撹拌子５１ＡのＳ極がこの永久磁石２３のＮ極に引かれ、撹拌子５１ＡのＳ極が永久磁石２３のＮ極がある方向に、半時計周りに回転する。この状態からロータ２２が更に６０度時計回りに回転すると、図６（ａ）の状態に戻る。このように、撹拌子５１Ａはロータ２２の回転に追従して回転し、ロータ２２が時計回りに１回転すると、撹拌子５１Ａは半時計回りに１回転する。このように、撹拌子５１がロータ２２の回転によって回転するので、熱輸送媒体は撹拌子５１によって撹拌されてから第１の材料容器２５Ａと第２の材料容器２５Ｂに流入する。
以上説明した第２の方法、即ち、熱輸送媒体４２に混入させたカーボンナノチューブ４０を熱輸送媒体４２を材料容器２５内で強制的に掻き混ぜて、材料容器２５内で一様でないようにする方法は、カーボンナノチューブ以外の熱輸送媒体より熱伝導率の高い物質を熱輸送媒体中に混入させた場合にも適用することができる。
図７は本発明の磁気ヒートポンプシステム３０における第２の形態の材料容器２５の撹拌構造を説明するものである。なお、第２の形態では、説明を分かりやすくするために、材料容器２５の形状を直方体状としているが、材料容器２５の形状は第１の形態と同じにすることも可能である。そして、第２の形態では、材料容器２５の中にペレット状ではなく、円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃ、或いは角柱状の磁気熱量効果材料２６Ｓを配置して熱輸送媒体を撹拌するようになっている。
図８（ａ）〜（ｃ）は本発明の磁気ヒートポンプシステム３０における第２の形態の第１の実施例の材料容器２５の撹拌構造を示している。第１の実施例では、円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃを、材料容器２５の一方の開口端から他方の開口端に向かって一直線状に複数列並べている。円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃをこのように配置すると、材料容器２５内に吸い込まれた熱輸送媒体、或いは材料容器２５から排出される熱輸送媒体は、図に太線で示すように、一列に並んだ円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃの隙間の空間をジグザグ状に流れる。この結果、材料容器２５で熱輸送媒体が撹拌される。
図９（ａ）、（ｂ）は本発明の磁気ヒートポンプシステム３０における第２の形態の第２の実施例の材料容器２５の撹拌構造を示している。第２の実施例では、円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃを、材料容器２５の一方の開口端から他方の開口端に向かって、所定本数ずつジグザグ状に並べたものを複数個配置している。円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃをこのように配置すると、材料容器２５内に吸い込まれた熱輸送媒体、或いは材料容器２５から排出される熱輸送媒体は、図に太線で示すように、ジグザグ状に並んだ円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃの集合体同士の隙間の空間を大きく蛇行して流れる。この結果、材料容器２５で熱輸送媒体が撹拌される。
図９（ｃ）、（ｄ）は本発明の磁気ヒートポンプシステム３０における第２の形態の第３の実施例の材料容器２５の撹拌構造を示している。第３の実施例では、角柱状の磁気熱量効果材料２６Ｓを、材料容器２５の一方の開口端から他方の開口端に向かって一直線状に複数列並べている。角柱状の磁気熱量効果材料２６Ｓをこのように配置すると、材料容器２５内に吸い込まれた熱輸送媒体、或いは材料容器２５から排出される熱輸送媒体は、図に太線で示すように、一列に並んだ角柱状の磁気熱量効果材料２６Ｓの隙間の空間をジグザグ状に流れる。この結果、材料容器２５で熱輸送媒体が撹拌される。第１の実施例の円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃを配置した場合に比べて、角柱状の磁気熱量効果材料２６Ｓには角があるので、熱輸送媒体が角柱状の磁気熱量効果材料２６Ｓに当たった時の乱れが大きく、ジグザグの程度が大きい。
図１０（ａ）は本発明の磁気ヒートポンプシステム３０における第２の形態の第４の実施例の材料容器２５の撹拌構造を示している。第４の実施例では、円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃを、材料容器２５の一方の開口端から他方の開口端に向かって、垂直方向に一直線状に複数列、複数個だけ並べた後、今度は水平方向に一直線状に複数列、複数個だけ並べ、以後はこの並べ方を繰り返す。第１から第３の実施例では、材料容器２５内に吸い込まれた熱輸送媒体、或いは材料容器２５から排出される熱輸送媒体は、円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃの隙間の空間を水平方向に蛇行して流れるだけであった。一方、第４の実施例の材料容器２５の撹拌構造では、材料容器２５内に吸い込まれた熱輸送媒体、或いは材料容器２５から排出される熱輸送媒体は、水平方向に蛇行させられた後に垂直方向にも蛇行させられる。よって、材料容器２５内での熱輸送媒体の撹拌の程度が強まる。
図１０（ｂ）は本発明の磁気ヒートポンプシステム３０における第２の形態の第５の実施例の材料容器２５の撹拌構造を示している。第５の実施例では、第４の実施例における円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃを、角柱状の磁気熱量効果材料２６Ｓに代えている。第５の実施例の材料容器２５の撹拌構造でも、材料容器２５内に吸い込まれた熱輸送媒体、或いは材料容器２５から排出される熱輸送媒体は、水平方向に蛇行させられた後に垂直方向にも蛇行させられる。しかも、円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃの代わりに角柱状の磁気熱量効果材料２６Ｓを使用しているので、材料容器２５内での熱輸送媒体の撹拌の程度が一層強まる。
図８から図１０に示した第１から第５の実施例の円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃ、或いは角柱状の磁気熱量効果材料２６Ｓの材料容器２５内への配置は一例であり、配置はこれらの実施例に限定されるものではない。円柱状の磁気熱量効果材料２６Ｃ、或いは角柱状の磁気熱量効果材料２６Ｓの配置により、材料容器２５内で熱輸送媒体を回転させることも可能である。
以上説明した実施例では、磁気ヒートポンプシステムに使用する熱輸送媒体４２の中に熱輸送媒体４２より熱伝導率の高い物質４０を混入させ、磁気熱量効果材料２６との熱伝達率を向上させている。一方、熱輸送媒体４２より熱伝導率の高い物質４０の代わりに、熱輸送媒体４２の中に熱輸送媒体４２より比熱もしくは容積比熱の高い物質４０を混入させ、磁気熱量効果材料２６との熱伝達率を向上させることが可能である。
熱輸送媒体４２より比熱もしくは容積比熱の高い物質４０としては、潜熱蓄熱材料を使用することができる。具体的には、潜熱蓄熱材料として、パラフィン、エリスリトール、スレイトール、ナフタリン、ポリエチレン及びステアリン酸の何れかを使用することが可能である。潜熱蓄熱材料も熱輸送媒体４２に混入させると、カーボンナノチューブ４０と同様に凝集する問題があるので、熱伝達率の向上のために撹拌が有効である。従って、熱輸送媒体４２の中に熱輸送媒体４２より比熱もしくは容積比熱の高い物質４０を混入させた場合の磁気ヒートポンプシステム及び磁気ヒートポンプシステムを使用した空気調和装置の実施例は、前述の実施例と同じで良い。よって、ここではその説明を省略する。
２ 吸熱手段（クーラユニット）
５ 放熱手段（ヒータユニット）
１０ 空気調和装置
１１ 冷却水製造部
１２ 温水製造部
１３ 熱輸送媒体移動手段（往復動ポンプ、斜板コンプレッサ）
１４ 室外器
１５ 冷却水循環路
１６ 温水循環路
１７，１８，１９ 流路切換弁
２１ 回転軸
２２ ロータ
２３ 永久磁石
２４ ヨーク部
２５ 材料容器
２６，２６Ｃ，２６Ｓ 磁気熱量効果材料
２７ 吐出弁
２８ 吸入弁
３０ 本発明の磁気ヒートポンプシステム
３１ 回転子
３２Ａ 制御カム
３２Ｂ 斜板
３３ ピストン
３４ シリンダ
４０ 熱輸送媒体より熱伝導率の高い物質
４１ 微小な磁性体
５０ 撹拌構造
５１ 撹拌子
５ 放熱手段（ヒータユニット）
１０ 空気調和装置
１１ 冷却水製造部
１２ 温水製造部
１３ 熱輸送媒体移動手段（往復動ポンプ、斜板コンプレッサ）
１４ 室外器
１５ 冷却水循環路
１６ 温水循環路
１７，１８，１９ 流路切換弁
２１ 回転軸
２２ ロータ
２３ 永久磁石
２４ ヨーク部
２５ 材料容器
２６，２６Ｃ，２６Ｓ 磁気熱量効果材料
２７ 吐出弁
２８ 吸入弁
３０ 本発明の磁気ヒートポンプシステム
３１ 回転子
３２Ａ 制御カム
３２Ｂ 斜板
３３ ピストン
３４ シリンダ
４０ 熱輸送媒体より熱伝導率の高い物質
４１ 微小な磁性体
５０ 撹拌構造
５１ 撹拌子
Claims (14)
- 磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料（２６）が内部に配置されると共に、その内部を熱輸送媒体（４２）が流通するように形成された容器（２５）と、
前記磁気熱量効果材料（２６）へ印加する磁場の大きさを変更する磁場変更手段（２２）と、
前記磁気熱量効果材料（２６）が内部に配置された前記容器（２５）の両端部の間で、前記熱輸送媒体（４２）を往復移動させる熱輸送媒体移動手段（１３）と、
前記容器（２５）の一方の端部側から排出された前記熱輸送媒体（４２）が有する熱を外部へ放熱する放熱手段（５）と、
前記容器（２５）の他方の端部側から排出された前記熱輸送媒体（４２）に対して外部の熱を吸熱する吸熱手段（２）と、を備える磁気ヒートポンプシステムにおいて、
前記熱輸送媒体（４２）中に前記熱輸送媒体（４２）より熱伝導率の高い物質（４０）を混入させたことを特徴とする磁気ヒートポンプシステム。 - 磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料（２６）が内部に配置されると共に、その内部を熱輸送媒体（４２）が流通するように形成された容器（２５）と、
前記磁気熱量効果材料（２６）へ印加する磁場の大きさを変更する磁場変更手段（２２）と、
前記磁気熱量効果材料（２６）が内部に配置された前記容器（２５）の両端部の間で、前記熱輸送媒体（４２）を往復移動させる熱輸送媒体移動手段（１３）と、
前記容器（２５）の一方の端部側から排出された前記熱輸送媒体（４２）が有する熱を外部へ放熱する放熱手段（５）と、
前記容器（２５）の他方の端部側から排出された前記熱輸送媒体（４２）に対して外部の熱を吸熱する吸熱手段（２）と、を備える磁気ヒートポンプシステムにおいて、
前記熱輸送媒体（４２）中に前記熱輸送媒体（４２）より比熱もしくは容積比熱の高い物質（４０）を混入させたことを特徴とする磁気ヒートポンプシステム。 - 前記熱輸送媒体（４２）より熱伝導率の高い物質（４０）が、カーボンナノチューブ、グラフェン、アルミナ及び金粒子の何れかであることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヒートポンプシステム。
- 前記熱輸送媒体（４２）より比熱もしくは容積比熱の高い物質（４０）が、潜熱蓄熱材料であることを特徴とする請求項２に記載の磁気ヒートポンプシステム。
- 前記潜熱蓄熱材料が、パラフィン、エリスリトール、スレイトール、ナフタリン、ポリエチレン及びステアリン酸の何れかであることを特徴とする請求項４に記載の磁気ヒートポンプシステム。
- 熱輸送媒体（４２）中に微小な磁性体（４１）を混入したことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の磁気ヒートポンプシステム。
- 前記媒体より熱伝導率の高い物質（４０）自体に磁性体を配合したことを特徴とする請求項１又は３に記載の磁気ヒートポンプシステム。
- 前記媒体より比熱もしくは容積比熱の高い物質（４０）自体に磁性体を配合したことを特徴とする請求項２、４、５の何れか１項に記載の磁気ヒートポンプシステム。
- 前記容器（２５）内に、熱輸送媒体（４２）を撹拌する撹拌構造（５０）を設けたことを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の磁気ヒートポンプシステム。
- 前記撹拌構造（５０）は、前記容器（２５）の筐体内に少なくとも１箇所設けた、磁場変化に追従して回転する撹拌子と、該撹拌子の回転空間（５２）を確保する回転空間形成枠（５３）であることを特徴とする請求項９に記載の磁気ヒートポンプシステム。
- 前記撹拌構造（５０）が、前記磁気熱量効果材料（２６）の前記容器（２５）内への配置であり、前記磁気熱量効果材料（２６）を柱状に形成し、複数の柱状の前記磁気熱量効果材料（２６）を、前記磁気熱量効果材料（２６）の間を流れる熱輸送媒体（４２）の流れが乱れるように配置したことを特徴とする請求項９に記載の磁気ヒートポンプシステム。
- 請求項１から１１の何れか１項に記載の磁気ヒートポンプシステム（３０）の何れかを用いた空気調和装置（１０）であって、
前記熱輸送媒体移動手段（１３）は、モータ（２０）に駆動される回転軸（２１）により駆動され、前記回転軸（２１）の周囲に備えられた複数のシリンダから前記熱輸送媒体移動手段（１３）の両側にある前記容器（２５）に熱輸送媒体（４２）を吐出、或いは前記容器（２５）から熱輸送媒体を吸引するように構成され、
磁場変更手段（２２，２３）は、前記回転軸（２１）に取り付けられたロータ（２２）の外周面に設置された永久磁石（２３）により構成され、
前記容器（２５）に接続する循環路（１５，１６）は、前記吸熱手段（２）を備えた第１の循環路（１５）と前記放熱手段（５）を備えた第２の循環路（１６）から構成され、
前記第１の循環路（１５）では、熱輸送媒体（４２）の前記容器（２５）からの吐出時に前記永久磁石（２３）が前記磁気熱量効果材料（２６）への磁場を除去するように動作し、前記第２の循環路（１６）では、熱輸送媒体（４２）の前記容器（２５）からの吐出時に前記永久磁石（２３）が前記磁気熱量効果材料（２６）に磁場を印加するように動作することを特徴とする空気調和装置。 - 前記第１の循環路（１５）には、前記容器（２５）から吐出された冷却された熱輸送媒体（４２）を前記吸熱手段（２）を通さずに前記容器（２５）に戻すための第１のバイパス通路（１７Ａ）が設けられており、
前記第２の循環路（１６）には、前記容器（２５）に戻る前に外気から吸熱を行う室外器（１４）を備えた第２のバイパス通路（１８Ａ）が設けられていて、
前記空気調和装置（１０）の暖房時に、前記第１の循環路（１５）の熱輸送媒体（４２）は、前記第１のバイパス通路（１７Ａ）を通り、
前記空気調和装置（１０）の冷房時に、前記第２の循環路（１６）の熱輸送媒体（４２）は、前記第２のバイパス通路（１８Ａ）を通ることを特徴とする請求項１２に記載の空気調和装置。 - 前記第１の循環路（１５）には、前記空気調和装置（１０）の冷房時に、前記容器（２５）に吸引される熱輸送媒体の温度を下げるための室外器（１４）を備えた第３のバイパス通路（１９Ａ）が更に設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の空気調和装置。
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