JP2013057408A - 磁気冷暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性を備え機械的および熱的な損失を小さくし熱輸送能力及び熱輸送効率を向上させる。
【解決手段】磁気熱量効果を有する磁性体１０Ａ−１０Ｆと磁性体１０Ａ−１０Ｆの熱を輸送する熱伝導部３０Ａ−３０Ｇとを交互に配置する熱輸送器と、熱輸送器の一端に熱伝導部３０Ａを介して配置する低温側熱交換部４０Ａと、熱輸送器の他端に熱伝導部３０Ｇを介して配置する高温側熱交換部４０Ｂと、熱輸送器の各磁性体１０Ａ−１０Ｆに選択的に磁気を印加し除去する磁気印加除去部２０Ａ−２０Ｆと、を有し、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇは、電圧を印加すると各磁性体１０Ａ−１０Ｆとの並び方向の寸法が小さくなって各磁性体１０Ａ−１０Ｆ間の熱伝導を遮断し、電圧を除去すると各磁性体１０Ａ−１０Ｆとの並び方向の寸法が元の寸法に戻って各磁性体１０Ａ−１０Ｆ間の熱伝導を可能にする。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気冷暖房装置に係り、特に、磁気熱量効果を発現する磁性体の熱を、電気的に熱の伝導が制御できる熱伝導部を利用して輸送する磁気冷暖房装置に関する。

従来用いられている室温域の冷凍機、例えば、冷蔵庫、冷凍庫、エアコンなどの冷凍機の大半は、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒の相変化を利用している。最近では、フロンガスの排出に伴うオゾン層破壊の問題が露呈し、さらに、代替フロンガスの排出に伴う地球温暖化への影響も懸念されている。このため、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒を用いた冷凍機に代わる、クリーンでかつ熱輸送能力の高い、革新的な冷凍機の開発が強く望まれている。

このような背景から、最近になって注目されるようになった冷凍技術が磁気冷凍技術である。磁性体の中には、その磁性体に印加する磁界の大きさが変化すると、その変化に応じて自身の温度を変化させる、いわゆる磁気熱量効果を発現するものがある。この磁気熱量効果を発現する磁性体を利用して熱を輸送する冷凍技術が磁気冷凍技術である。

磁気冷凍技術を応用した冷凍機としては、例えば、下記特許文献１に記載されているような、固体物質の熱伝導を利用して熱を輸送する磁気冷凍機がある。この磁気冷凍機は以下のような構成によって熱を伝導させる。

磁気を印加すると温度が上昇する正の磁性体と、磁気を印加すると温度が下降する負の磁性体とを、所定の間隔で交互に複数一方向に並べて配置する。正負一対の磁性体で１つの磁性体ブロックを形成する。一方向に並ぶ複数の磁性体ブロックを環状に複数配置して磁性体ユニットを形成する。この磁性体ユニットと同心で内径と外径が略等しいハブ状の回転体に永久磁石を配置して磁気印加除去部を形成する。正負の磁性体との間を挿脱する熱伝導部材を正負の磁性体との間で摺動自在となるように配置する。

永久磁石が配置されている回転体を磁性体ユニットと対向するように配置して磁性体ユニットに対し相対的に回転させる。正負の磁性体との間で挿脱される熱伝導部材を磁性体ユニットに対し相対的に回転させる。この回転体の回転によって正負の磁性体に同時に磁気が印加されまた除去される。また、熱伝導部材が回転方向に並ぶ正負の磁性体との間で挿脱される。永久磁石と熱伝導部材が回転することで、磁気熱量効果により磁性体が発生する熱を磁性体が配置される一方向に熱伝導部材を介して輸送する。

特開２００７−１４７２０９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されている発明の場合、磁性体が発生する熱を輸送するときに、熱伝導部材が正負の磁性体との間で挿脱される。熱伝導部材は正負の磁性体との間で摺動を繰り返すことから、熱伝導部材に耐久性を持たせる必要がある。また、熱伝導部材の摺動に伴い、磁性体との間で生じる摩擦により機械的な損失が発生する。

さらに、熱伝導部材は正負の磁性体との間で摺動を繰り返すことから、実際には、構造上一方向にのみ熱を輸送することはできず、熱の輸送に際して熱的な損失が発生する。

熱的な損失は次のような理由から発生する。

熱伝導部材が熱伝導部材を挟む磁性体間にあるときには、熱伝導部材を挟む磁性体間でのみ熱が輸送される。ところが熱伝導部材が回転方向に隣り合う磁性体とまたがる位置にあるときには、熱伝導部材を挟む磁性体間だけでなく、回転方向に隣り合う磁性体間にも熱が輸送される。回転方向に隣り合う磁性体に輸送される熱は損失となり、磁気冷凍機の熱輸送能力及び熱輸送効率の低下を招く。

本発明は、上記の問題を解決するために成されたものであり、摺動の耐久性を持たせる必要がなく、機械的および熱的な損失が極めて小さく、熱輸送能力及び熱輸送効率を向上させることができる、磁気冷暖房装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る磁気冷暖房装置は、熱輸送器、低温側熱交換部、高温側熱交換部及び磁気印加除去部を有する。

熱輸送器は、磁気熱量効果を有する磁性体と当該磁性体の熱を輸送する熱伝導部とを交互に配置する。低温側熱交換部は、前記熱輸送器の一端に前記熱伝導部を介して配置する。高温側熱交換部は、前記熱輸送器の他端に前記熱伝導部を介して配置する。磁気印加除去部は、前記熱輸送器の各磁性体に選択的に磁気を印加し除去する。各熱伝導部は、電圧を印加すると前記各磁性体との並び方向の寸法が小さくなって各磁性体との熱伝導を遮断し、電圧を除去すると前記各磁性体との並び方向の寸法が元の寸法に戻って各磁性体との熱伝導を可能にする。

本発明に係る磁気冷暖房装置によれば、各熱伝導部は、電圧の印加、除去に応じて伸縮するので、磁性体、低温側熱交換部、高温側熱交換部に対して摺動させずに熱を輸送させることができる。このため、各熱伝導部に摺動の耐久性を持たせる必要がなく、各熱伝導部の信頼性が向上する。また、摩擦による機械的な損失をなくすことができる。

また、各熱伝導部は各磁性体との並び方向にのみ熱を輸送できるので、熱の輸送に際して熱的な損失が小さくできる。

さらに、各熱伝導部は、電圧の印加、除去に応じて、磁性体間、磁性体と低温側熱交換部との間、磁性体と高温側熱交換部との間を、全ての接触面を使って接続するので、熱輸送能力及び熱輸送効率を向上させることができる。

本発明に適用する磁気冷暖房の原理図である。 本発明の磁気冷暖房の効果を示すグラフである。 図１の原理図において熱が移動していく様子を説明するための図である。 本実施形態に係る熱伝導部の構造図である。 本実施形態に係る磁気冷暖房装置の固定部の構成図である。 本実施形態に係る磁気冷暖房装置の回転部の構成図である。 本実施形態に係る磁気冷暖房装置の断面図である。 本実施形態に係る磁気冷暖房装置の制御系のブロック図である。 図８の空調制御部と空調情報入力部のさらに具体的な制御系のブロック図である。 本実施形態に係る磁気冷暖房装置の動作フローチャートである。 本実施形態に係る磁気冷暖房装置のサブルーチンフローチャートである。 熱伝導の態様（ステップ０から４）と熱伝導部の位置関係（ａからｇ）を示す図である。 位置ｂにおける熱伝導部とそれに隣接する磁性体から構成される一組のユニット（破線で囲まれた部分）について熱伝導の態様（ステップ１から４）と磁気の印加状態、熱伝導部の電圧、熱流束の関係を示す図である。 図９のスイッチングパターン記憶部が記憶するスイッチングパターンの一例である。 図９のスイッチングパターン記憶部が記憶するスイッチングパターンの他の例である。

まず、本発明の実施形態の説明をする前に、本発明に適用する磁気冷暖房の原理を図面に基づいて詳細に説明する。

（磁気冷暖房の原理）
図１は、本発明に適用する磁気冷暖房の原理図である。磁性体１０Ａ−１０Ｆには、発現される磁気熱量効果の種類が同じ同一材料の磁性体として正の磁性体を用いる。

磁気印加除去部２０Ａ、２０Ｂ、磁気印加除去部２０Ｃ、２０Ｄ、磁気印加除去部２０Ｅ、２０Ｆは、磁性体１０Ａ−１０Ｆを挟むようにして、磁性体１０Ａ−１０Ｆの間で往復移動する。つまり、図１Ａの状態から、磁気印加除去部２０Ａ、２０Ｂが磁性体１０Ａから１０Ｂに、磁気印加除去部２０Ｃ、２０Ｄが磁性体１０Ｃから１０Ｄに、磁気印加除去部２０Ｅ、２０Ｆが磁性体１０Ｅから１０Ｆに、一斉に移動して、図１Ｂの状態になる。

次に、図１Ｂの状態から、磁気印加除去部２０Ａ、２０Ｂが磁性体１０Ｂから１０Ａに、磁気印加除去部２０Ｃ、２０Ｄが磁性体１０Ｄから１０Ｃに、磁気印加除去部２０Ｅ、２０Ｆが磁性体１０Ｆから１０Ｅに、一斉に移動して、磁気印加除去部と磁性体の位置関係が図１Ａの状態に戻る。したがって、磁気印加除去部が往復移動すると、図１Ａと図１Ｂの状態が交互に繰り返される。

本実施形態では、磁性体１０Ａ−１０Ｆには正の磁性体を用いている。しかし、負の磁性体を用いても良い。正の磁性体は磁気印加除去部２０Ａ−２０Ｆで磁気を印加すると発熱し除去すると吸熱する。一方、負の磁性体は磁気印加除去部２０Ａ−２０Ｆで磁気を印加すると吸熱し除去すると発熱する。このように、正の磁性体と負の磁性体とでは、発現される磁気熱量効果が正反対であり、磁気熱量効果の種類が異なる。本実施形態の場合、負の磁性体に比較して安価で発熱量が大きい正の磁性体を用いる。負の磁性体は希少な磁性材料から製造しなければならないのでコスト高になり、また、負の磁性体の磁気熱量効果の大きさが正の磁性体の磁気熱量効果の大きさよりも小さいからである。

磁気印加除去部２０Ａ−２０Ｆには永久磁石を用いる。磁気印加除去部２０Ａ、２０Ｂ、磁気印加除去部２０Ｃ、２０Ｄ、磁気印加除去部２０Ｅ、２０Ｆは、それぞれが一体となって、図示左右方向に往復移動する。したがって、磁気印加除去部２０Ａ−２０Ｆは磁性体１０Ａ−１０Ｆに個別に磁気を印加する。

熱伝導部３０Ａ−３０Ｇは、磁性体１０Ａ−１０Ｆが磁気熱量効果により発生した熱を低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに向けて伝達する。熱伝導部３０Ａ−３０Ｇは、電圧のＯＮ、ＯＦＦによって伸縮する特性を持つ高分子エラストマーを用いて形成する。熱伝導部３０Ａ−３０Ｇは、図１Ａ、Ｂに示すように、電圧を印加（ＯＮ）すると収縮して寸法が小さくなり、電圧を除去（ＯＦＦ）すると伸張して元の寸法に戻る。このため、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇは、電圧の印加、除去を制御することで磁性体１０Ａ−１０Ｆに接触させたりさせなかったりすることができ、磁性体の並び方向に向けて効率的に熱を伝達させることができる。

熱伝導部３０Ａは、低温側熱交換部４０Ａとこれと隣り合う磁性体１０Ａとの間で伸縮して両者を機械的に断続する。熱伝導部３０Ｂは、磁性体１０Ａと１０Ｂとの間で伸縮して両者を機械的に断続する。同様に、熱伝導部３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆは、磁性体１０Ｂと１０Ｃとの間、磁性体１０Ｃと１０Ｄとの間、磁性体１０Ｄと１０Ｅとの間、磁性体１０Ｅと１０Ｆとの間で伸縮して両者を機械的に断続する。熱伝導部３０Ｇは、磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間で伸縮して両者を機械的に断続する。

熱伝導部３０Ｂ、３０Ｄ、３０Ｆは、同じタイミングで、磁性体１０Ａと１０Ｂとの間、磁性体１０Ｃと１０Ｄとの間、磁性体１０Ｅと１０Ｆとの間で伸縮し両者を機械的に断続する。また、熱伝導部３０Ａ、３０Ｃ、３０Ｅ、３０Ｇも、同じタイミングで、低温側熱交換部４０Ａと磁性体１０Ａとの間、磁性体１０Ｂと１０Ｃとの間、磁性体１０Ｄと１０Ｅとの間、磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間で伸縮し両者を機械的に断続する。熱伝導部３０Ｂ、３０Ｄ、３０Ｆと熱伝導部３０Ａ、３０Ｃ、３０Ｅ、３０Ｇとは交互に伸縮を繰り返す。

図１Ａに示すように、磁気印加除去部２０Ａ、２０Ｂが磁性体１０Ａに、磁気印加除去部２０Ｃ、２０Ｄが磁性体１０Ｃに、磁気印加除去部２０Ｅ、２０Ｆが磁性体１０Ｅに、それぞれ位置する。このときには、磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅに対して磁気が印加され、磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆには磁気が印加されておらず磁気が除去されている。したがって、磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅは発熱する。そして同時に、熱伝導部３０Ｂが磁性体１０Ａと１０Ｂとの間を、熱伝導部３０Ｄが磁性体１０Ｃと１０Ｄとの間を、熱伝導部３０Ｆが磁性体１０Ｅと１０Ｆとの間を、それぞれ接続する。

したがって、磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅが磁気熱量効果により発生した熱は磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆにそれぞれ移動する。このときには、熱伝導部３０Ｂ、３０Ｄ、３０Ｆには電圧を印加せず、磁性体１０Ａと１０Ｂとの間、磁性体１０Ｃと１０Ｄとの間、磁性体１０Ｅと１０Ｆとの間を接続する。一方、熱伝導部３０Ａと３０Ｇには電圧を印加し低温側熱交換部４０Ａと磁性体１０Ａとの間及び高温側熱交換部４０Ｂと磁性体１０Ｆとの間を遮断する。また、熱伝導部３０Ｃ、３０Ｅにも電圧を印加し磁性体１０Ｂ、１０Ｃとの間及び磁性体１０Ｄ、１０Ｅとの間を遮断する。

次に、図１Ｂに示すように、磁気印加除去部２０Ａ、２０Ｂが磁性体１０Ｂに、磁気印加除去部２０Ｃ、２０Ｄが磁性体１０Ｄに、磁気印加除去部２０Ｅ、２０Ｆが磁性体１０Ｆに、それぞれ位置する。このときには、磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆに対して磁気が印加され、磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅには磁気が印加されておらず磁気が除去されている。したがって、磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆは発熱する。そして同時に、熱伝導部３０Ａが低温側熱交換部４０Ａと磁性体１０Ａとの間を、熱伝導部３０Ｃが磁性体１０Ｂと１０Ｃとの間を、熱伝導部３０Ｅが磁性体１０Ｄと１０Ｅとの間を、熱伝導部３０Ｇが磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間を、それぞれ接続する。

このときには、磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅが磁気熱量効果により吸熱され、磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆが磁気熱量効果により発熱する。したがって、低温側熱交換部４０Ａから磁性体１０Ａに、磁性体１０Ｂから磁性体１０Ｃに、磁性体１０Ｄから磁性体１０Ｅに、磁性体１０Ｆから高温側熱交換部４０Ｂに熱が移動する。このときには、熱伝導部３０Ａ、３０Ｃ、３０Ｅ、３０Ｇには電圧を印加せず、低温側熱交換部４０Ａと磁性体１０Ａとの間、磁性体１０Ｂと１０Ｃとの間、磁性体１０Ｄと１０Ｅとの間、磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間を接続する。一方、熱伝導部３０Ｂ、３０Ｄ、３０Ｆには電圧を印加し磁性体１０Ａと１０Ｂとの間、磁性体１０Ｃと１０Ｄとの間、及び磁性体１０Ｅと１０Ｆとの間を遮断する。

以上のように、磁気印加除去部を図示左右方向に連動して往復移動させることによって、磁性体は発熱と吸熱を交互に繰り返す。さらに、磁気印加除去部の移動に連動して、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇは、低温側熱交換部４０Ａ、磁性体１０Ａ−１０Ｆ、高温側熱交換部４０Ｂそれぞれの間で断続を繰り返す。このため、磁気熱量効果により得られた磁性体の熱が低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに移動する。

図２は、本発明の磁気冷暖房の効果を示すグラフである。このグラフに示すように、磁気冷凍機が動作を開始した後の比較的初期時には、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差は小さい。時間が経過するにしたがって低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差が次第に大きくなっていき、最終的には、長時間経過後の直線で示すように、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差が最大になる。この状態で、低温側熱交換部４０Ａの熱を利用して、たとえば室内の温度を下げることができ、高温側熱交換部４０Ｂの熱を利用して、たとえば室内の温度を上げることができる。

次に、図１のように、各磁性体ブロックに対応して設けた磁気印加除去部を図示左右方向に連動して往復移動させたときに熱が移動していく様子を図３の模式図に基づいて説明する。

まず前提として、全ての磁性体は同一材料で形成されており、全ての磁性体の磁気熱量効果が同一の種類であって、温度変化量が５℃のものを用いた場合を想定する。具体的には、全ての磁性体は、磁気を印加されると５℃温度が上昇し、磁気が除去されると５℃温度が下降する特性を持っていると想定する。

まず、図３の（１）に示すように、初期の状態では全ての磁性体１０Ａ−１０Ｆが室温の２０℃になっている。このときには、図示のように全ての熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに電圧は印加せず（ＯＦＦ）、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間で全ての磁性体１０Ａ−１０Ｆを熱伝導部３０Ａ−３０Ｇで接続する。なお、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間で、交互に配置する磁性体と熱伝導部は熱輸送器を形成する。

次に、図３の（２）に示すように、この状態で磁気印加除去部２０Ａ−２０Ｆを一斉に右側に移動させ、右隣に位置する磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆに磁気を印加する。これと同時に、図３の（２）に示すように、熱伝導部３０Ｂ、３０Ｄ、３０Ｆに電圧を印加し、低温側熱交換部４０Ａと磁性体１０Ａとの間、磁性体１０Ｂと１０Ｃとの間、磁性体１０Ｄと１０Ｅとの間、磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間で熱伝導ができるようにする。

図３の（２）の状態では、磁気が除去された磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅの温度が１５℃に低下し、磁気が印加された磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆの温度が２５℃に上昇する。このため、図に示すように、熱伝導部を介して温度の高い方から温度の低いほうに熱が移動する。

この熱の移動によって、図３の（２）´に示すように、磁性体１０Ａと低温側熱交換部４０Ａの温度が１７．５℃になり、磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂの温度が２２．５℃になる。

次に、図３の（３）に示すように、磁気印加除去部２０Ａ−２０Ｆを一斉に左側に移動させ、左隣に位置する磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅに磁気を印加する。これと同時に、図３の（３）に示すように、熱伝導部３０Ａ、３０Ｃ、３０Ｅ、３０Ｇに電圧を印加し、磁性体１０Ａと１０Ｂとの間、磁性体１０Ｃと１０Ｄとの間、磁性体１０Ｅと１０Ｆとの間で熱伝導ができるようにする。一方、熱伝導部３０Ｂ、３０Ｄ、３０Ｆには電圧を印加せず、低温側熱交換部４０Ａと磁性体１０Ａとの間、磁性体１０Ｂと１０Ｃとの間、磁性体１０Ｄと１０Ｅとの間、磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間の熱伝導を遮断する。

図３の（３）の状態では、磁気が印加された磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅの温度が図３の（２）´の状態の温度から５℃上昇し、磁気が除去された磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆの温度が図３の（２）´の状態の温度から５℃低下する。このため、図に示すように、熱伝導部を介し隣接する磁性体との間で温度の高い方から温度の低いほうに熱が移動する。

この熱の移動によって、図３の（３）´に示すように、低温側熱交換部４０Ａの温度が１７．５℃になり、磁性体１０Ａ、１０Ｂの温度が１８．７５℃になる。また、磁性体１０Ｃ、１０Ｄの温度が２０℃になり、磁性体１０Ｅ、１０Ｆの温度が２１．２５℃になる。そして、高温側熱交換部４０Ｂの温度が２２．５℃になる。

以上のように、磁気印加除去部を磁性体に沿って左右に往復移動させ、磁気印加除去部の移動に同期させて熱伝導部に印加する電圧をＯＮ、ＯＦＦさせることによって、低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに熱が移動していく。時間が経過するにしたがって、図２に示したように、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差が大きくなっていく。最終的には、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差が安定する。この状態で、低温側熱交換部４０Ａの熱を利用して、たとえば室内の温度を下げることができ、高温側熱交換部４０Ｂの熱を利用して、たとえば室内の温度を上げることができる。

なお、図１及び図３の説明は、発現される磁気熱量効果の種類が同じ同一材料の磁性体として正の磁性体を用いた場合に当てはまる。発現される磁気熱量効果の種類が同じ同一材料の磁性体として負の磁性体を用いた場合には、熱の移動方向は図１及び図３に示した方向とは逆になる。したがって、負の磁性体を用いた場合、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂの位置が図１及び図３とは逆になる。

以上が、本発明に適用する磁気冷暖房の原理である。以上では、２つの磁性体を１組として磁性体ブロックを形成し、この磁性体ブロックをさらに３つ一列に配列して磁性体ユニットを形成する形態について述べた。

しかし、本発明は、この形態には限られず、さらに多くの磁性体を一列に配列して磁性体ブロックを形成し、さらに多くの磁性体ブロックを一列に配列して磁性体ユニットを形成する形態にも適用できる。さらに、本発明は、磁性体ユニットを複数並列に環状に配置する形態にも適用できる。これらの形態の場合にも、磁性体ブロックごとに磁気印加除去部を設けるのは、上記の形態の場合と同一である。

（熱伝導部の構造）
次に、本実施形態に係る磁気冷暖房装置が採用する熱伝導部の具体的な構造について説明する。図４は本実施形態に係る熱伝導部の構造図である。

図１に示したように、熱伝導部３０Ａと３０Ｂは磁性体１０Ａの対向する両面に、熱伝導部３０Ｃと３０Ｄは磁性体１０Ｃの対向する両面に、熱伝導部３０Ｅと３０Ｆは磁性体１０Ｅの対向する両面に、それぞれ設ける。熱伝導部３０Ｇは磁性体１０Ｆの高温側熱交換部４０Ｂ側の片面に設ける。

図４では、磁性体１０Ａの対向する両面に取り付ける熱伝導部３０Ａと３０Ｂを例示する。熱伝導部３０Ａ、３０Ｂは、磁性体１０Ａの対向する両面に取り付ける。熱伝導部３０Ａには、高分子エラストマー３２Ａの対向する両面に伸縮性電極３４Ａ１、３４Ａ２を取り付けてある。また、熱伝導部３０Ｂには、高分子エラストマー３２Ｂの対向する両面に伸縮性電極３４Ｂ１、３４Ｂ２を取り付けてある。熱伝導部３０Ａ、３０Ｂは、磁性体１０Ａに効率的に熱を伝達させなければならないので、高分子エラストマー３２Ａ、３２Ｂ、伸縮性電極３４Ａ１、３４Ａ２、３４Ｂ１、３４Ｂ２は熱伝達率の高い材料を選定している。

高分子エラストマー３２Ａ、３２Ｂを形成する材料としては、架橋点の動く高分子化合物、より具体的には、ポリロタキサンを用いる。ポリロタキサンは、環状分子の開口部が直鎖状分子によって串刺し状に包接された擬ポリロタキサンの両端末に環状分子が遊離しないように封鎖基を配置している。環状分子としては、α−シクロデキストリン、直鎖状分子としては、ポリエチレングリコールを用いたものがあげられる。ポリロタキサンは、低ひずみ領域のヤング率Ｅが高ひずみ領域のヤング率Ｅよりも小さい。換言すれば、作用する応力ρの変化に対するひずみεの変化が、高ひずみ領域よりも低ひずみ領域で大きくなるという特性を有する。

高分子エラストマー３２Ａの両面には伸縮性電極３４Ａ１、３４Ａ２を、高分子エラストマー３２Ｂの両面には伸縮性電極３４Ｂ１、３４Ｂ２を、それぞれ接着剤を極薄く塗って貼り付ける。接着剤は、高分子エラストマー３２Ａ、３２Ｂと伸縮性電極３４Ａ１、３４Ａ２、３４Ｂ１、３４Ｂ２との間の熱伝導性を阻害しないように、熱伝導性の接着剤を用いるか、熱伝導性の良好な銅やアルミなどの金属粉を接着性が保持される程度に混入した接着剤を用いる。

磁性体１０Ａの対向する両面に、高分子エラストマー３２Ａ、３２Ｂの伸縮性電極３４Ａ２、３４Ｂ２を、それぞれ接着剤を極薄く塗って貼り付ける。接着剤は、磁性体１０Ａと伸縮性電極３４Ａ２、３４Ｂ２との間の熱伝導性を阻害しないように、高分子エラストマー３２Ａ、３２Ｂと伸縮性電極３４Ａ１、３４Ａ２、３４Ｂ１、３４Ｂ２とを接着する接着剤と同一の接着剤を用いる。

したがって、磁性体１０Ａの一方の面に熱伝導部３０Ａが、磁性体１０Ａの他方の面に熱伝導部３０Ｂが取り付けられる。熱伝導部３０Ａの伸縮性電極３４Ａ１と３４Ａ２との間に電圧を印加すると、高分子エラストマー３２Ａの磁性体１０Ａとの並び方向の寸法（厚み）が１０％程度小さくなる。これによって、隣接する磁性体との間に空気層を形成することができる。隣接する磁性体との間の断熱性は２０−３０μｍの空気層が確保できれば十分である。一方、伸縮性電極３４Ａ１と３４Ａ２との間の電圧を取り除くと、高分子エラストマー３２Ａの磁性体１０Ａとの並び方向の寸法（厚み）が元の寸法に戻る。これによって、熱伝導部３０Ａ、３０Ｂを、隣接する磁性体と機械的に接続することができ、電圧が印加されているときには断熱部材として機能させ、電圧が印加されていないときには熱伝導部材として機能させることができる。なお、磁性体１０Ａと高分子エラストマー３２Ａ、３２Ｂとの間の伸縮性電極３４Ａ２、３４Ｂ２は省略しても良い。この場合には、磁性体１０Ａと高分子エラストマー３２Ａ、３２Ｂとを直接上記の接着剤で貼り付ける。

高分子エラストマー３２Ａは、厳密には、伸縮性電極３４Ａ１と３４Ａ２との間に電圧を印加すると磁性体１０Ａとの並び方向の寸法が変化するだけではなく、磁性体１０Ａとの並び方向に直交する方向の寸法もわずかではあるが変化する。このため、熱伝導部３０Ａに貼り付ける電極には伸縮性のある電極を用い、電極が高分子エラストマー３２Ａの変形に無理なく追従できるようにしている。これによって、熱伝導部３０Ａの耐久性を向上させることができる。なお、以上では、熱伝導部３０Ａに高分子エラストマーを用いたが、高分子エラストマーの代わりに、圧電素子（ピエゾアクチュエータ）を用いても良い。

このように、電圧の印加、除去によって伸縮する高分子エラストマー３２Ａ、３２Ｂを熱伝導部３０Ａ、３０Ｂに用いると、隣接する磁性体に伸縮性電極３４Ａ１、３４Ｂ１が接触しまた離れるという動作だけで熱伝導を断続させることができる。このため、従来のように、熱伝導を断続させるために熱伝導部を磁性体間で摺動させる必要がなく、熱伝導部の耐久性が向上し、同時に信頼性も向上する。磁気冷暖房装置を車載するためには小型化が要求され、小型化するためには磁気冷暖房装置の高周波化が必要である。高周波化するためには、磁性体間の熱伝達を高速（例えば０．１秒程度）で行う必要がある。本実施形態の熱伝導部３０Ａ−３０Ｇは、電圧をＯＮ、ＯＦＦする周期を短くすることで高周波化できる。これには、高分子エラストマー３２Ａ、３２Ｂの伸縮の周波数応答性と耐久性、伸縮性電極の伸縮の周波数応答性と磁性体への接触の耐久性を確保すればよい。これは磁性体間での摺動の耐久性を確保することに比較したら非常にたやすいことである。

次に、図５−図７を参照して本実施形態に係る磁気冷暖房装置の構成について説明する。本実施形態に係る磁気冷暖房装置は、図１に示した磁気冷暖房と同一の原理を用いる。図５は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の固定部の構成図である。図６は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の回転部の構成図である。図７は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の断面図である。

（磁気冷暖房装置の構成）
図５及び図７に示すように、磁気冷暖房装置の固定部１００は円形状に形成する。固定部１００の中心部分には円筒状の高温側熱交換部４０Ｂを設け、高温側熱交換部４０Ｂを取り囲むように円形状の低温側熱交換部４０Ａを設ける。低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の空間に１ｍｍ程度の厚みの熱輸送器配置板１５０（図７参照）をはめ込み、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとで固定する。

熱輸送器配置板１５０上の中心角３０度の扇状の空間に、図５及び図７に示すように、磁気熱量効果を有する磁性体１０Ａ−１０Ｆとこれらの磁性体の熱を輸送する熱伝導部３０Ａ−３０Ｇとを交互に配置する。交互に配置した磁性体１０Ａ−１０Ｆと熱伝導部３０Ａ−３０Ｇで１つの熱輸送器５０を構成する。したがって、図５に示すように、熱輸送器配置板１５０上には、中心角３０度ごとに１つの扇状の熱輸送器５０が配置され、熱輸送器配置板１５０上には、並列に合計１２個の扇状の熱輸送器５０が形成される。なお、１２個の扇状の熱輸送器５０のそれぞれの間には熱絶縁を図るための空間を形成してある。また、低温側熱交換部４０Ａは熱輸送器５０の一端に熱伝導部３０Ａを介して配置される。さらに、高温側熱交換部４０Ｂ熱輸送器５０の他端に熱伝導部３０Ｇを介して配置される。低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂの内部には、熱交換効率を向上させるためフィン４１（図７参照）と４２（図５参照）を設けている。

熱輸送器配置板１５０は、互いに独立して分離された１２個の熱輸送器５０を配置しているので、熱輸送器５０が輸送している熱を奪わないように、熱輸送器配置板１５０は断熱性の高い材料で形成するか、熱輸送器配置板１５０と熱輸送器５０との間に断熱性の高い材料を挟む。また、図が複雑になるので省略したが、熱輸送器配置板１５０上には、全ての熱輸送器５０の全ての熱伝導部の伸縮性電極を接続するプリント配線を形成してある。１つの熱伝導部は２つの伸縮性電極を有するので、熱輸送器配置板１５０上には２×７×１２＝１６８個の伸縮性電極を繋げるプリント配線を形成する。このプリント配線は後述する電圧印加制御部（図８参照）に接続する。なお、熱輸送器配置板１５０は磁性体に印加される磁束を減少させてはならないので、透磁率の非常に高い鉄などの材料で形成することが好ましい。また、熱輸送器５０は熱輸送器配置板１５０の上側に設けたが、熱輸送器配置板１５０の下側に設けても良い。また、熱輸送器配置板１５０は上下の熱輸送器配置板１５０に挟まれるように設けても良い。

磁性体１０Ａ−１０Ｆは、本実施形態では同一材料で形成しており、同一材料として正の磁性体を用いる。正の磁性体は、磁気を印加していないときには常磁性状態（磁気スピンが無秩序の状態）となり、磁気を印加すると強磁性状態（磁気スピンが一方向に揃う状態）となる、常磁性状態と強磁性状態が可逆的に生じる材料を用いて製造する。

正の磁性体の材料としては、ＧｄやＧｄをベースとした合金である、Ｇｄ−Ｙ系、Ｇｄ−Ｄｙ系、Ｇｄ−Ｅｒ系、Ｇｄ−Ｈｏ系、Ｌａ（Ｆｅ，Ｓｉ）１３やＬａ（Ｆｅ，Ａｌ）１３などの磁性材料を用いることができる。

一方、本実施形態では用いていないが、磁性体１０Ａ−１０Ｆに同一材料として負の磁性材料を用いることもできる。負の磁性体は、磁気を印加していないときには強磁性状態（磁気スピンが一方向に揃う状態）となり、磁気を印加すると常磁性状態（磁気スピンが無秩序の状態）となる、強磁性状態と常磁性状態が可逆的に生じる材料を用いて製造される。

負の磁性体の材料としては、ＦｅＲｈ合金、ＣｏＭｎＳｉＧｅ系、ＮｉＭｎＳｎ系などの磁性材料を用いることができる。

一般的に、正の磁性体と負の磁性体は、磁気の印加に対して、熱発生が、発熱するか、吸熱するか反対なので、正の磁性体と負の磁性体の磁気熱量効果による温度変化の大きさは相違する。したがって、本実施形態のように、正か負のどちらか一方の磁性体を用いた場合には、全ての磁性体の磁気熱量効果による温度変化の大きさが同一になる。したがって、磁気冷暖房装置全体として安定した熱伝達特性が得られ熱輸送効率が向上する。また、正の磁性体の磁気熱量効果に比較して負の磁性体の磁気熱量効果の方が小さいので、熱輸送効率を考慮すると、正の磁性体を用いることが好ましい。さらに、負の磁性体の材料は正の磁性体の材料に比較して希少な材料を用いることになるので、コストの面でも正の磁性体を用いることが好ましい。

本実施形態では、磁性体１０Ａ−１０Ｆ及び熱伝導部３０Ａ−３０Ｇの形状を、扇を径方向に一定の幅で切り取ったような形状とした。しかし、これ以外の形状、例えば、球状、楕円体状、立方体状、円柱状、楕円柱状などの形状を採用しても良い。

熱輸送器５０の各磁性体１０Ａ−１０Ｆに選択的に磁気を印加し除去する磁気印加除去部２０Ａ−２０Ｆは、図６、図７に示す回転部２００Ａ、２００Ｂに形成する。

回転部２００Ａ、２００Ｂはその中心部が開口し、その中心部にはベアリング２１０Ａ、２１０Ｂを設けてある。また、回転部２００Ａ、２００Ｂの外周部にはベアリング２２０Ａ、２２０Ｂを設けてある。ベアリング２１０Ａ、２１０Ｂ、ベアリング２２０Ａ、２２０Ｂは、回転部２００Ａ、２００Ｂを固定部１００の上下面で回転自在に支持する。したがって、回転部２００Ａ、２００Ｂは高温側熱交換部４０Ｂを回転軸として図示矢印方向（図６参照）に回転する。

回転部２００Ａ、２００Ｂの一方の面の外周にはリングギア２３０Ａ、２３０Ｂを取り付ける。リングギア２３０Ａ、２３０Ｂは、サーボモータ３００Ａ、３００Ｂのギア３１０Ａ、３１０Ｂに噛み合う。サーボモータ３００Ａが回転すると、ギア３１０Ａと噛み合うリングギア２３０Ａが自転して回転部２００Ａが回転する。また、サーボモータ３００Ｂが回転すると、ギア３１０Ａと噛み合うリングギア２３０Ａが自転して回転部２００Ａが回転する。サーボモータ３００Ａと３００Ｂを同期して回転させると、回転部２００Ａと２００Ｂが一体となって回転する。

本実施形態では、サーボモータ３００Ａ、３００Ｂを同期して回転させる。したがって、回転部２００Ａと２００Ｂは高温側熱交換部４０Ｂを中心に、固定部１００を挟むようにして同一の回転速度で回転する。回転部２００Ａと２００Ｂを同期させて回転するには、回転部２００Ａと２００Ｂの基準位置とサーボモータ３００Ａ、３００Ｂの回転位置を検出することが必要である。そのため、図７に示すように、回転部２００Ａと２００Ｂの基準位置を検出するための基準位置検出センサ２５０Ａ、２５０Ｂを設けてある。また、サーボモータ３００Ａと３００Ｂの回転位置を検出するための回転位置検出センサをサーボモータ３００Ａと３００Ｂに内蔵してある。

図６及び図７に示すように、回転部２００Ａの片面とその面に対向する回転部２００Ｂの片面に、環状かつ放射状に永久磁石を配置する。回転部２００Ａと回転部２００Ｂの永久磁石はＮ極とＳ極とが対峙するように極性を考慮して配置する。回転部２００Ａの片面に配置した永久磁石と回転部２００Ｂの片面に配置した永久磁石は、常に対峙した状態となるように、回転部２００Ａと２００Ｂは同期して回転させる。図７に示すように、回転部２００Ａの永久磁石２０Ａ、２０Ｃ、２０Ｅと回転部２００Ｂの永久磁石２０Ｂ、２０Ｄ、２０Ｆは、回転部２００Ａと２００Ｂが回転中または停止中にかかわらず常に対峙した状態である。なお、本実施形態では、磁気印加除去部に永久磁石を用いたが、電磁石を用いても良い。電磁石を用いた場合には、回転部２００Ａ及び２００Ｂの構造が複雑になる。回転した状態で、電磁石への給電ができるようにしなければならないからである。したがって、本実施形態では、永久磁石を用いている。

なお、図７に示すように、固定部１００に回転部２００Ａと回転部２００Ｂを取り付けた状態で、固定部１００、回転部２００Ａ、回転部２００Ｂで囲まれた内部空間は減圧または真空に近い環境にする。内部空間を減圧または真空に近い環境にすれば、各熱輸送器５０は、真空内、または減圧下の環境内で設置されることになって、内部の空気への放熱が防止され、また、永久磁石が回転することによる空気抵抗が減少されるからである。

回転部２００Ａと２００Ｂが回転すると、３０度回転するごとに、固定部１００の各熱輸送器５０の磁性体は、１つおきに交互に磁気が印加または除去される。つまり、各熱輸器５０において、図１Ａのように磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅに磁気が印加される状態と図１Ｂのように磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆに磁気が印加される状態とが交互に起こる。このため、回転部２００Ａと２００Ｂが３０度回転するごとに、各熱輸器５０の磁性体が発熱と吸熱を繰り返す。磁性体の単位時間当たりの発熱量は、回転部２００Ａと２００Ｂの回転速度によって変化する。発熱量を大きくしたければ回転部２００Ａと２００Ｂの回転速度を速くする。大きな発熱量が必要なければ２００Ａと２００Ｂの回転速度を遅くする。

各熱輸送器５０の磁性体が発熱しまた吸熱するときの熱を、低温側熱交換器４０Ａから高温側熱交換器４０Ｂに伝達させるには、最適なタイミングで各熱伝導部に電圧を印加または除去しなければならない。熱伝導部の電圧の印加または除去のタイミングを制御するものが、図８以降に示す制御系である。

図８は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の制御系のブロック図である。また、図９は、図８の空調制御部と空調情報入力部のさらに具体的な制御系のブロック図である。

図８に示すように、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の制御系は、基準位置検出センサ２５０Ａ、基準位置検出センサ２５０Ｂ、空調情報入力部２６０、サーボモータ３００Ａ、サーボモータ３００Ｂ、サーボモータ制御部３５０、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、電圧印加制御部３５、空調制御部４００を有する。サーボモータ３００Ａ、サーボモータ３００Ｂは、自身の回転位置を検出する回転位置検出センサ３２０Ａ、３２０Ｂを備えている。

基準位置検出センサ２５０Ａは回転部２００Ａ（図７参照）に設定した原位置を検出する。原位置は回転部２００Ａの外周に設ける。例えば、光を反射する反射体を回転部２００Ａの外周に取り付けた場合には、その反射体の取り付け位置が原位置となる。この場合、基準位置検出センサ２５０Ａには受発光素子を用い、反射体が受発光素子からの光を反射すると、原位置が検出される。

基準位置検出センサ２５０Ｂは回転部２００Ｂに設定した原位置を検出する。その他は基準位置検出センサ２５０Ａと同一である。

回転部２００Ａと回転部２００Ｂに設ける原位置は、回転部２００Ａと回転部２００Ｂの永久磁石が固定部１００を介して正しく向き合うように（図７に示すように）、正確な位置に設定する。したがって、回転部２００Ａと回転部２００Ｂは、基準位置検出センサ２５０Ａと基準位置検出センサ２５０Ｂが、原位置を常に同時に検出するように、同一の速度で同期して回転する。

空調情報入力部２６０は空調に必要な情報を入力する。空調に必要な情報は、設定温度、低温側熱交換部入口温度、低温側熱交換部出口温度、高温側熱交換部入口温度、高温側熱交換部出口温度である。空調情報入力部２６０の具体的な説明については、後述の図８に基づいて行う。

サーボモータ３００Ａ、サーボモータ３００Ｂは、熱輸送器５０の各磁性体に選択的に磁気を印加し除去するため磁気印加除去部を駆動するモータである。具体的には、サーボモータ３００Ａは、図６に示したように永久磁石が配置してある回転部２００Ａを回転させる。また、サーボモータ３００Ｂは、図６に示したように永久磁石が配置してある回転部２００Ｂを回転させる。サーボモータ３００Ａ、サーボモータ３００Ｂには、それぞれのサーボモータの回転位置を検出する回転位置検出センサ３２０Ａ、３２０Ｂを設けてある。回転位置検出センサ３２０Ａ、３２０Ｂで検出した回転位置は、サーボモータ３００Ａ、サーボモータ３００Ｂの回転速度を同期させるために用いる。

サーボモータ制御部３５０は、回転位置検出センサ３２０Ａ、３２０Ｂで検出した回転位置と、基準位置検出センサ２５０Ａ、２５０Ｂで検出した原位置を用いて、サーボモータ３００Ａ、３００Ｂの回転を制御する。

熱伝導部３０Ａ−３０Ｇは、上述の通り、それぞれの伸縮性電極に電圧が印加されるとその寸法が小さくなり、電圧が除去されるとその寸法が元の寸法に戻る。熱輸送器５０の磁性体間の熱伝導を断続させるものである。

電圧印加制御部３５は、サーボモータ３００Ａ、サーボモータ３００Ｂの回転位置に応じて各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに選択的に電圧を印加し除去する。サーボモータ３００Ａ、サーボモータ３００Ｂの回転位置は、回転位置検出センサ３２０Ａ、３２０Ｂで検出した回転位置と、基準位置検出センサ２５０Ａ、２５０Ｂで検出した原位置によって判別できる。つまり、各永久磁石の位置が、各熱輸送器５０の磁性体に対してどの位置にあるのかが認識できる。電圧印加制御部３５は、各永久磁石の位置が各熱輸送器５０の磁性体の位置に対して最適な位置となったときに、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに選択的に電圧を印加し除去する。このように、電圧印加制御部３５は、磁気印加除去部が各磁性体に選択的に磁気を印加し除去するタイミングと同期させて各熱伝導部に電圧を印加し除去することにより、低温側熱交換部から高温側熱交換部に熱を輸送させる。

電圧印加制御部３５は、運転条件ごとに定めた、電圧の印加、除去のタイミングを用いて各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに電圧を印加し除去する。運転条件ごとに定めた、電圧の印加、除去のタイミングは、磁気冷暖房装置の運転に伴って、最適なタイミングに書き換える。運転条件は、熱輸送器５０の要求熱量、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差または磁気印加除去部の駆動パターンの少なくともいずれかである。駆動パターンは、磁気印加除去部を図１４のように一定の速度で駆動するか、図１５のように一定ではない速度で駆動するか、のいずれかである。

空調制御部４００は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の動作を総括的に制御する。空調制御部４００の具体的な説明については、後述の図８に基づいて行う。

図９に示すように、空調情報入力部２６０は、温度設定部２６２、低温側熱交換部入口温度センサ２６４、低温側熱交換部出口温度センサ２６６、高温側熱交換部入口温度センサ２６８、高温側熱交換部出口温度センサ２７０を有する。

温度設定部２６２は、磁気冷暖房装置が空調する車室内の温度を設定するコントローラである。低温側熱交換部入口温度センサ２６４は、図５に示した固定部１００の低温側熱交換部４０Ａに供給される冷媒の温度を検出する。低温側熱交換部入口温度センサ２６４は、低温側熱交換部４０Ａの冷媒入口部分に設ける。

低温側熱交換部出口温度センサ２６６は、図５に示した固定部１００の低温側熱交換部４０Ａから排出される冷媒の温度を検出する。低温側熱交換部出口温度センサ２６６は、低温側熱交換部４０Ａの冷媒出口部分に設ける。高温側熱交換部入口温度センサ２６８は、図５または図７に示した高温側熱交換部４０Ｂに供給される冷媒の温度を検出する。高温側熱交換部入口温度センサ２６８は、高温側熱交換部４０Ｂの冷媒入口部分に設ける。高温側熱交換部出口温度センサ２７０は、高温側熱交換部４０Ｂから排出される冷媒の温度を検出する。高温側熱交換部出口温度センサ２７０は、高温側熱交換部４０Ｂの冷媒出口部分に設ける。

温度設定部２６２、低温側熱交換部入口温度センサ２６４、低温側熱交換部出口温度センサ２６６、高温側熱交換部入口温度センサ２６８、高温側熱交換部出口温度センサ２７０を設けるのは、固定部１００でどの程度の熱量を低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに移動させなければならないかを知るためである。移動させなければならない熱量がわかれば、サーボモータ３００Ａ、３００Ｂの回転速度や、熱伝達部の電圧のＯＮ、ＯＦＦのタイミングを調整することができる。
空調制御部４００は、スイッチング制御部４１０とスイッチングパターン記憶部４２０を有する。スイッチング制御部４１０は、設定温度、低温側熱交換部入口温度、低温側熱交換部出口温度、高温側熱交換部入口温度、高温側熱交換部出口温度を用いて、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに供給する電圧のＯＮ、ＯＦＦのスイッチングを制御する。スイッチングパターン記憶部４２０は、例えば、図１４及び図１５に示すような、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに供給する電圧のＯＮ、ＯＦＦのスイッチングのパターンを記憶する。

図１２は、熱伝導の態様（ステップ０から４）と熱伝導部の位置関係（ａからｇ）を示す図である。また、図１３は、位置ｂにおける熱伝導部とそれに隣接する磁性体から構成される一組のユニット（破線で囲まれた部分）について熱伝導の態様（ステップ１から４）と磁気の印加状態、熱伝導部の電圧、熱流束の関係を示す図である。

図１２に示すように、熱伝導におけるステップ１の態様では、ｂ、ｄ、ｆの位置にある熱伝導部に電圧が印加される。そのため、ｂ、ｄ、ｆの位置にある熱伝導部は熱の伝導を遮断する。一方、ａ、ｃ、ｅ、ｇの位置にある熱伝導部には電圧が印加されない。そのため、ａ、ｃ、ｅ、ｇの位置にある熱伝導部は熱を伝導させる。ステップ２の態様もステップ１と同じである。熱伝導におけるステップ３の態様では、ａ、ｃ、ｅ、ｇの位置にある熱伝導部に電圧が印加される。そのため、ａ、ｃ、ｅ、ｇの位置にある熱伝導部は熱の伝導を遮断する。一方、ｂ、ｄ、ｆの位置にある熱伝導部には電圧が印加されない。そのため、ｂ、ｄ、ｆの位置にある熱伝導部は熱を伝導させる。ステップ４の態様もステップ３と同じである。

図１３に示すように、図１２のｂの位置にある熱伝導部に着目すると、熱伝導におけるステップ１の態様では、磁性体に磁気は印加されておらず、熱伝導部による熱の伝導が遮断（電圧ＯＮ）されているので、熱流束は０である。ステップ２の態様に移行しても、ステップ１と同じである。次に、熱伝導におけるステップ３の態様では、磁性体に磁束密度Ｂ０の磁気が印加されて、熱伝導部により熱が伝導（電圧ＯＦＦ）されるので、ｑの熱流束が生じる。ステップ４の態様に移行すると、熱流束の大きさがステップ３の態様のときよりも低下する。熱の移動によりｂの位置にある熱伝導部の両側に位置する磁性体の温度差が小さくなっていくからである。

図１４のスイッチングパターンは、永久磁石（ＰＭ）が磁性体（ＭＣＭ）に対して定速度移動する場合のパターンを示す。

図１２のｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇの位置にある各熱伝導部は、図中のイ−ハに示すように、永久磁石が磁性体とオーバーラップする少し前までまたは完全にオーバーラップしてから少し後までは、熱伝導部には電圧が印加されない。一方、図中のハ−イに示すように、永久磁石が磁性体と完全にオーバーラップして少し後からオーバーラップが開始する少し前までは、熱伝導部に電圧が印加される。したがって、永久磁石と磁性体との位置関係がイ−ハにある熱伝導部は、隣接する磁性体などとの間で熱伝導を行い、二、ホにある熱伝導部は、隣接する磁性体などとの間で熱伝導を行わない。

図１２のａの位置にある各熱伝導部において、図中のイ−ハに示すように、永久磁石が磁性体とオーバーラップを開始する少し前から完全にオーバーラップする少し前までは、熱伝導部に電圧が印加される。一方、図中のハ−イに示すように、永久磁石が磁性体と完全にオーバーラップする少し前から完全にオーバーラップした後オーバーラップを開始するする少し前までは、熱伝導部には電圧が印加されない。したがって、永久磁石と磁性体との位置関係がイ−ハにある熱伝導部は、隣接する磁性体などとの間で熱伝導を行なわず、二、ホにある熱伝導部は、隣接する磁性体などとの間で熱伝導を行なう。

図１５のスイッチングパターンは、永久磁石（ＰＭ）が磁性体（ＭＣＭ）に対して不定速度移動する場合のパターンを示す。

図１２のｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇの位置にある各熱伝導部は、図中のイ−ホに示すように、永久磁石が磁性体とオーバーラップを開始する少し前からオーバーラップしなくなる少し前までは、熱伝導部には電圧が印加されない。一方、図中のホ−イに示すように、永久磁石が磁性体とオーバーラップしていないときには、熱伝導部には電圧が印加される。したがって、永久磁石と磁性体との位置関係がイ−ホにある熱伝導部は、隣接する磁性体などとの間で熱伝導を行い、ホ−イにある熱伝導部は、隣接する磁性体などとの間で熱伝導を行わない。

図１２のａの位置にある各熱伝導部において、図中のイ−ニに示すように、永久磁石が磁性体とオーバーラップを開始する少し前からオーバーラップしなくなる少し前までは熱伝導部に電圧が印加される。一方、図中のホ−イに示すように、永久磁石が磁性体とオーバーラップしていないときには、熱伝導部には電圧が印加されない。したがって、永久磁石と磁性体との位置関係がイ−ニにある熱伝導部は、隣接する磁性体などとの間で熱伝導を行なわず、ホ−イにある熱伝導部は、隣接する磁性体などとの間で熱伝導を行なう。

次に、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の動作を、図１０及び図１１のフローチャート、及び図１４、図１５のスイッチングパターンに基づいて詳細に説明する。図１０は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の動作フローチャートである。図１１は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置のサブルーチンフローチャートである。図１４は、図９のスイッチングパターン記憶部が記憶するスイッチングパターンの一例である。図１５は、図９のスイッチングパターン記憶部が記憶するスイッチングパターンの他の例である。

（磁気冷暖房装置の動作）
まず、操作者は、温度設定部２６２から車室内の設定温度を入力する。設定温度が入力されると、空調制御部４００は、要求熱量と要求温度差を入力する（Ｓ１）。空調制御部４００は、車室内の空間容量、現在の車室内の温度、車室内の設定温度を参照して、車室内を設定温度にするために必要な要求熱量を求める。また、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの温度差を求める。この求めた値を、要求熱量、要求温度差として入力する。

次に、空調制御部４００は、入力した要求熱量と要求温度差をあらかじめ記憶しているマップと照合して磁気印加周波数ｆを求め、熱伝導部３０Ａ−３０ＧのＯＮ、ＯＦＦのスイッチングパターンをスイッチングパターン記憶部４２０から取得する（Ｓ２）。スイッチングパターンのＴＳｓは、熱伝導部３０Ａ−３０ＧをＯＮさせるタイミング、換言すれば熱伝導部３０Ａ−３０Ｇから電圧を除去するタイミングである。一方、スイッチングパターンのＴＳｅは、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇによる熱伝導をＯＦＦさせるタイミング、換言すれば熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに電圧を印加するタイミングである。

空調制御部４００は磁気冷暖房装置を運転する（Ｓ３）。つまり、空調制御部４００は、求めた磁気印加周波数ｆを実現するために、サーボモータ制御部３５０に回転数の指示を出す。磁気印加周波数は、１つの磁性体に対して１秒間に何回磁気の印加除去をするかを示すものである。例えば、磁気印加周波数ｆが６Ｈｚであったとすると、図５から図７に示す構成の磁気冷暖房装置の場合、回転部２００Ａ、２００Ｂが１秒間に１回転すると６回磁気の印加除去が行われるので、回転部２００Ａ、２００Ｂに要求される回転数は６０ｒｐｍである。サーボモータ制御部３５０には、回転部２００Ａ、２００Ｂが６０ｒｐｍで回転するために必要なサーボモータ３００Ａ、３００Ｂの回転数を指示する。また、空調制御部４００は、スイッチングパターン記憶部４２０から取得したスイッチングパターンを再現するために、電圧印加制御部３５にスイッチングパターンを送る。例えば、図１４、図１５に示すようなスイッチングパターンである。

空調制御部４００はステップＳ３の運転が規定のサイクル行われたか否かを判断する（Ｓ４）。図２に示したように、磁気冷暖房装置の運転が開始された直後から、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間にだんだんと温度差が拡大していく。この温度差が要求温度差に達するまでには、あらかじめ規定してあるサイクルだけ磁気の印加、除去を繰り返さなければならない。本実施形態の磁気冷暖房装置の場合、回転部２００Ａ、２００Ｂが１回転すると各熱輸送器５０に磁気の印加、除去が６回繰り返される。したがって、例えば、規定サイクルが１２００サイクルに設定されていたとすると、回転部２００Ａ、２００Ｂが２００回転したか否かが判断される。

空調制御部４００はステップＳ３の運転が規定のサイクルまで達していなければ（Ｓ４：ＮＯ）、Ｓ３のステップの処理を繰り返す。一方、ステップＳ３の運転が規定のサイクルに達したら（Ｓ４：ＹＥＳ）次のステップの処理に進む。

次に、空調制御部４００は、出力熱量と出力温度差を演算する（Ｓ５）。出力熱量は、低温側熱交換部入口温度センサ２６４が検出した冷媒の低温側熱交換部入口温度Ｔｃｉと低温側熱交換部出口温度センサ２６６が検出した低温側熱交換部出口冷媒の温度Ｔｃｏとの温度差を求め、その温度差に冷媒の質量ｍｃと比熱Ｃｐを掛けることによって求める。また、出力温度差は、高温側熱交換部出口温度センサ２６８が検出した冷媒の高温側熱交換部出口温度Ｔｈｏと低温側熱交換部出口温度センサ２６６が検出した冷媒の温度低温側熱交換部出口Ｔｃｏとの温度差である。

次に、空調制御部４００は、ステップＳ１で入力した要求熱量とステップＳ５で求めた出力熱量との差を演算する。また、ステップＳ１で入力した要求温度差とステップＳ５で求めた出力温度差との差を演算する（Ｓ６）。

空調制御部４００は、要求熱量と出力熱量との差と、要求温度差と出力温度差との差が規定範囲以内であるかを判断する（Ｓ７）。

空調制御部４００は、要求熱量と出力熱量との差と、要求温度差と出力温度差との差が規定範囲以内であれば（Ｓ７：ＹＥＳ）、ステップＳ２で求めた磁気印加周波数ｆと、熱伝導部３０Ａ−３０ＧのＯＮ、ＯＦＦのスイッチングパターンを更新してスイッチングパターン記憶部４２０に記憶させる。ステップＳ２で求めた磁気印加周波数ｆと、熱伝導部３０Ａ−３０ＧのＯＮ、ＯＦＦのスイッチングパターンを用いて、磁気冷暖房装置の運転を継続する（Ｓ８）。

空調制御部４００は、要求熱量と出力熱量との差と、要求温度差と出力温度差との差が規定範囲以内でなければ、ステップＳ２で求めた磁気印加周波数ｆをｆ＋Δｆにし、熱伝導部３０Ａ−３０ＧのＯＮ、ＯＦＦのスイッチングパターンのＴＳｓをＴＳｓ＋ΔＴＳｓに、ＴＳｅをＴＳｅ＋ΔＴＳｅに、それぞれ設定する（Ｓ９）。そして、ステップＳ３からステップＳ７までの処理を繰り返す。このようにして、最適な磁気印加周波数ｆ及び最適なスイッチングパターンを学習させると、磁性体ごとに異なる熱発生特性及び熱伝導部ごとに異なる熱伝達特性のばらつきを補正することができる。

次に、図１０のフローチャートのステップＳ３の詳しい処理を図１１のサブルーチンフローチャートで説明する。

空調制御部４００は、サーボモータ３００Ａ、３００Ｂの回転位置検出センサ３２０Ａ，３２０Ｂ、および基準位置検出センサ２５０Ａ、２５０Ｂの検出信号から、回転部２００Ａ、２００Ｂの回転位置を検出する（Ｓ１１）。回転位置を検出することによって、図１４および図１５のイ−ホに示すように、回転部２００Ａ、２００Ｂの永久磁石（ＰＭ）と固定部１００の磁性体（ＭＣＭ）との位置関係を知ることができる。

空調制御部４００は、スイッチングパターン記憶部４２０に記憶されているスイッチングパターンから、永久磁石の位置が該当する熱伝導部をＯＮさせなければならない区間（熱伝達をさせる区間）であるか否かを判断する（Ｓ１２）。永久磁石の位置が該当する熱伝導部をＯＮしなければならない区間であれば（Ｓ１２：ＹＥＳ）、空調制御部４００のスイッチング制御部４１０は、電圧印加制御部３５を介して該当する熱伝導部をＯＮする（Ｓ１３）。熱伝導部のＯＮは磁性体との間で熱伝導を可能にすることであるので、該当する熱伝導部に電圧は印加されない。一方、永久磁石の位置が該当する熱伝導部をＯＮしなくても良い区間であれば（Ｓ１２：ＮＯ）、空調制御部４００のスイッチング制御部４１０は、電圧印加制御部を介して該当する熱伝導部をＯＦＦする（Ｓ１４）。

例えば、スイッチングパターン記憶部４２０に図１４に示すようなスイッチングパターンが記憶されていたとする。この場合、空調制御部４００のスイッチング制御部４１０は、ステップＳ１１で検出した永久磁石の位置が、例えば、各熱輸送器５０の磁性体に対して図１４のイ−ハの位置にあるときには、図３のｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇの位置にある熱伝導部には電圧を印加しない。一方、イ−ハの位置以外の位置にあるときには図３のａの位置にある熱伝導部のみには電圧を印加せず、他のｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇの位置にある熱伝導部には電圧を印加する。

また、スイッチングパターン記憶部４２０に図１５に示すようなスイッチングパターンが記憶されていたとする。この場合には、空調制御部４００のスイッチング制御部４１０は、ステップＳ１１で検出した永久磁石の位置が、例えば、各熱輸送器５０の磁性体に対して図１５のイ−ホの位置にあるときには、図３のｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇの位置にある熱伝導部には電圧を印加しない。一方、イ−ホの位置以外の位置にあるときにはｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇの位置にある熱伝導部には電圧を印加する。また、図３のａの位置にある熱伝導部は、イの位置の少し手前の位置からホの位置の少し手前の位置まで電圧を印加しない。

図１４のスイッチングパターンと図１５のスイッチングパターンは若干異なる。図１４のスイッチングパターンは、永久磁石を有する回転体２００Ａ、２００Ｂが一定の速度で回転する場合を想定している。熱伝導部に電圧が印加されていない期間は、ａの位置にある熱伝導部を除いて、磁性体に永久磁石がオーバーラップし始めてから完全にオーバーラップするまでの間である。この間に磁性体と熱伝導部との間で熱伝導が行われる。

図１５のスイッチングパターンは、永久磁石を有する回転体２００Ａ、２００Ｂが一定の速度ではなく、磁性体との間に生じる吸引力の影響でコギングを起こす場合を想定している。実機では、図１４のように定速で回転させることは難しく、永久磁石が磁性体とオーバーラップしている間回転速度が一時的に落ちる。この場合には、熱伝導部に電圧が印加されていない期間は、ａの位置にある熱伝導部を除いて、磁性体に永久磁石がオーバーラップし始めてからオーバーラップが終わるまでの間である。この間に磁性体と熱伝導部との間で熱伝導が行われる。図１４のスイッチングパターンに比較して、図１５のスイッチングパターンの方が、熱の移動時間が長くなる。したがって、磁性体が発生する熱を効率的に移動させることができる。

最後に、空調制御部４００は、空調動作を終了する指示が成されたか否かを判断する（Ｓ１５）。空調動作の終了が指示されなければ（Ｓ１５：ＮＯ）、ステップＳ１１に戻り、空調動作の終了が指示されると（Ｓ１５：ＹＥＳ）、Ｓ４のステップに戻る。

以上のように、本実施形態に係る磁気冷暖房装置では、永久磁石が配置されている回転体２００Ａ、２００Ｂを回転させ、スイッチングパターンに沿って熱伝導部に電圧を印加するだけで、低温側熱交換器から高温側熱交換器に向けて熱を移動させることができる。

本実施形態に係る磁気冷暖房装置では、以下のような効果を得ることができる。

各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇは、電圧の印加、除去に応じて伸縮するので、磁性体１０Ａ−１０Ｆ、低温側熱交換部４０Ａ、高温側熱交換部４０Ｂに対して摺動させずに熱を輸送させることができる。このため、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに摺動の耐久性を持たせる必要がなく、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇの信頼性が向上する。また、摩擦による機械的な損失をなくすことができる。

また、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇは各磁性体１０Ａ−１０Ｆとの並び方向にのみ熱を輸送できるので、熱の輸送に際して熱的な損失が小さくできる。

さらに、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇは、電圧の印加、除去に応じて、磁性体間１０Ｂ−１０Ｅ、磁性体１０Ａと低温側熱交換部４０Ａとの間、磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間を、全ての接触面を使って接続するので、熱輸送能力及び熱輸送効率を向上させることができる。

磁気印加除去部の永久磁石２０Ａ−２０Ｆを駆動することで各磁性体１０Ａ−１０Ｆに連続的に熱を発生させることができ、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに選択的に電圧を印加し除去することで、各磁性体１０Ａ−１０Ｆが発生した熱を熱輸送器５０の一端から他端に輸送させることができる。

各磁性体１０Ａ−１０Ｆに選択的に磁気を印加し除去するタイミングと同期させて各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに電圧を印加し除去するようにしたので、低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに熱を効率的に輸送させることができる。

運転条件ごとに定めた、電圧の印加、除去のタイミングを用いて各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに電圧を印加し除去するようにしたので、運転条件に適合させて、最大限の効率で低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに熱を輸送させることができる。

運転条件ごとに定めた、電圧の印加、除去のタイミングは、磁気冷暖房装置の運転に伴って、最適なタイミングに書き換えるようにしたので、磁性体１０Ａ−１０Ｆごとに異なる熱発生特性及び熱伝導部３０Ａ−３０Ｇごとに異なる熱伝達特性のばらつきを補正することができる。そのため、最大限の効率で低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに熱を輸送させることができ、磁気冷暖房装置の高出力化及びコンパクト化を達成することができる。

熱輸送器５０の要求熱量、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差または磁気印加除去部の駆動パターンごとに、電圧の印加、除去のタイミングを定めているので、それぞれの運転条件ごとに最大限の効率で低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに熱を輸送させることができる。そのため、磁気冷暖房装置の高出力化及びコンパクト化を達成することができる。

磁気印加除去部を一定の速度で駆動するか、一定ではない速度で駆動するかの駆動パターンごとに、電圧の印加、除去のタイミングを定めているので、それぞれの運転条件ごとに最大限の効率で低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに熱を輸送させることができる。そのため、磁気冷暖房装置の高出力化及びコンパクト化を達成することができる。

真空内、または減圧下の環境内に熱輸送器５０を設置すると、熱輸送器５０を構成する磁性体１０Ａ−１０Ｆと熱伝導部３０Ａ−３０Ｇの断熱性を向上させることができる。そのため、低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに効率的に熱を輸送させることができ磁気冷暖房装置の高出力化及びコンパクト化を達成することができる。

１０Ａ−１０Ｆ 磁性体、
２０Ａ−２０Ｆ 永久磁石、
３０Ａ−３０Ｇ 熱伝導部、
４０Ａ 低温側熱交換部、
４０Ｂ 高温側熱交換部、
５０ 熱輸送器、
３２Ａ、３２Ｂ 高分子エラストマー、
３４Ａ１、３４Ａ２、３４Ｂ１、３４Ｂ２ 伸縮性電極、
１００ 固定部、
２００Ａ、２００Ｂ 回転部（磁気印加除去部）、
３００Ａ、３００Ｂ サーボモータ（モータ）、
２５０Ａ、２５０Ｂ 基準位置検出センサ、
３５ 電圧印加制御部、
４００ 空調制御部、
４２０ スイッチングパターン記憶部。

Claims (8)

1. 磁気熱量効果を有する磁性体と当該磁性体の熱を輸送する熱伝導部とを交互に配置する熱輸送器と、
   前記熱輸送器の一端に前記熱伝導部を介して配置する低温側熱交換部と、
   前記熱輸送器の他端に前記熱伝導部を介して配置する高温側熱交換部と、
   前記熱輸送器の各磁性体に選択的に磁気を印加し除去する磁気印加除去部と、を有し、
   各熱伝導部は、電圧を印加すると前記各磁性体との並び方向の寸法が小さくなって各磁性体との熱伝導を遮断し、電圧を除去すると前記各磁性体との並び方向の寸法が元の寸法に戻って各磁性体との熱伝導を可能にすることを特徴とする磁気冷暖房装置。
2. 前記熱輸送器の各磁性体に選択的に磁気を印加し除去するため前記磁気印加除去部を駆動するモータと、
   前記モータの回転位置に応じて前記各熱伝導部に選択的に電圧を印加し除去する電圧印加制御部と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気冷暖房装置。
3. 前記電圧印加制御部は、前記磁気印加除去部が前記各磁性体に選択的に磁気を印加し除去するタイミングと同期させて前記各熱伝導部に電圧を印加し除去することにより、前記低温側熱交換部から前記高温側熱交換部に熱を輸送させることを特徴とする請求項２に記載の磁気冷暖房装置。
4. 前記電圧印加制御部は、運転条件ごとに定めた、電圧の印加、除去のタイミングを用いて前記各熱伝導部に電圧を印加し除去することを特徴とする請求項２または３に記載の磁気冷暖房装置。
5. 前記運転条件ごとに定めた、電圧の印加、除去のタイミングは、前記磁気冷暖房装置の運転に伴って、最適なタイミングに書き換えることを特徴とする請求項４に記載の磁気冷暖房装置。
6. 前記運転条件は、前記熱輸送器の要求熱量、前記低温側熱交換部と前記高温側熱交換部との間の温度差または前記磁気印加除去部の駆動パターンの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項４または５に記載の磁気冷暖房装置。
7. 前記駆動パターンは、前記磁気印加除去部を一定の速度で駆動するか、一定ではない速度で駆動するか、のいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の磁気冷暖房装置。
8. 少なくとも前記熱輸送器は、真空内、または減圧下の環境内で設置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の磁気冷暖房装置。