JP2017009164A - Heat exchanger and magnetic heat pump device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気熱量効果を利用した磁気ヒートポンプ装置に用いられる熱交換器、及び、その熱交換器を備えた磁気ヒートポンプ装置に関するものである。 The present invention relates to a heat exchanger used in a magnetic heat pump apparatus using a magnetocaloric effect, and a magnetic heat pump apparatus including the heat exchanger.
略球状の粒子である磁気冷凍用磁性材料が充填された熱交換容器を備えた磁気冷凍デバイスが知られている(例えば、特許文献1(段落[0038]〜[0039]、図2)参照)。この熱交換容器は、配管を介して低温側熱交換部に接続された一方の開口と、別の配管を介して高温側熱交換部に接続された他方の開口と、を有している。 A magnetic refrigeration device including a heat exchange container filled with magnetic material for magnetic refrigeration that is substantially spherical particles is known (see, for example, Patent Document 1 (paragraphs [0038] to [0039], FIG. 2)). . This heat exchange container has one opening connected to the low temperature side heat exchange part via piping, and the other opening connected to the high temperature side heat exchange part via another pipe.
上記の熱交換容器の断面積は、それぞれの開口の断面積と比較して相対的に大きくなっている。このため、開口の中心軸から離れるに従って液体冷媒の流速が遅くなり、液体冷媒が熱交換容器の内部を均一に流れず、熱交換効率が低下してしまう、という問題がある。 The cross-sectional area of the heat exchange container is relatively larger than the cross-sectional area of each opening. For this reason, there is a problem that the flow rate of the liquid refrigerant decreases as the distance from the central axis of the opening increases, so that the liquid refrigerant does not flow uniformly inside the heat exchange container and the heat exchange efficiency decreases.
本発明が解決しようとする課題は、熱交換効率の向上を図ることが可能な熱交換部、及び、それを備えた磁気ヒートポンプ装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a heat exchange section capable of improving the heat exchange efficiency, and a magnetic heat pump apparatus including the heat exchange section.
[1]本発明に係る熱交換器は、磁気ヒートポンプ装置に用いられる熱交換器であって、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料と、前記磁気熱量効果材料を収容する容器と、を備えており、前記容器は、流体が前記容器に流入し又は前記容器から流出する第1の開口と、前記流体が前記容器から流出し又は前記容器に流入する第2の開口と、を有しており、前記第1の開口から前記第2の開口に向かう第1の方向に沿った前記磁気熱量効果材料の長さは、前記第1の開口と前記第2の開口とを結ぶ仮想直線の最も近くで、最も長くなっている熱交換器である。 [1] A heat exchanger according to the present invention is a heat exchanger used in a magnetic heat pump apparatus, and includes a magnetocaloric effect material having a magnetocaloric effect, and a container for housing the magnetocaloric effect material. The container has a first opening through which fluid flows into or out of the container, and a second opening through which the fluid flows out of the container or into the container. The length of the magnetocaloric effect material along the first direction from the first opening toward the second opening is closest to an imaginary straight line connecting the first opening and the second opening. It is the longest heat exchanger.
[2]上記発明において、前記第1の方向に沿った前記磁気熱量効果材料の長さは、前記仮想直線に近づくに従って漸次的又は段階的に長くなっていてもよい。 [2] In the above invention, the length of the magnetocaloric effect material along the first direction may be gradually or stepwise increased as it approaches the virtual line.
[3]上記発明において、前記熱交換器は、前記磁気熱量効果材料から構成された複数の板材を備え、複数の前記板材は、相互に間隔を空けて配置され又は相互に積層され、且つ、前記板材の延在方向が前記第1の方向と実質的に平行となるように前記容器に収容されており、前記第1の方向に沿った前記磁気熱量効果材料の長さは、前記板材の前記第1の方向に沿った長さであってもよい。 [3] In the above invention, the heat exchanger includes a plurality of plate members made of the magnetocaloric effect material, and the plurality of plate members are arranged at intervals or stacked on each other, and The length of the magnetocaloric effect material along the first direction is accommodated in the container so that the extending direction of the plate is substantially parallel to the first direction. It may be a length along the first direction.
[4]上記発明において、前記仮想直線の最も近くに位置する前記板材の前記第1の方向に沿った長さは、複数の前記板材の中で、最も長くなっていてもよい。 [4] In the above invention, the length of the plate located closest to the virtual line along the first direction may be the longest among the plurality of plates.
[5]上記発明において、複数の前記板材の前記第1の方向に沿った長さは、前記仮想直線に近づくに従って漸次的又は段階的に長くなっていてもよい。 [5] In the above invention, the length of the plurality of plate members along the first direction may be gradually or stepwise increased as the virtual line is approached.
[6]上記発明において、前記熱交換器は、前記磁気熱量効果材料から構成された複数の線材を備え、複数の前記線材は、相互に束ねられていると共に、前記線材の延在方向が前記第1の方向と実質的に平行となるように前記容器に収容されており、前記第1の方向に沿った前記磁気熱量効果材料の長さは、前記線材の前記第1の方向に沿った長さであってもよい。 [6] In the above invention, the heat exchanger includes a plurality of wires composed of the magnetocaloric effect material, the plurality of wires are bundled together, and the extending direction of the wires is the The container is accommodated in the container so as to be substantially parallel to the first direction, and the length of the magnetocaloric effect material along the first direction is along the first direction of the wire. It may be a length.
[7]上記発明において、前記仮想直線の最も近くに位置する前記線材の前記第1の方向に沿った長さは、複数の前記線材の中で、最も長くなっていてもよい。 [7] In the above invention, the length of the wire positioned closest to the virtual straight line along the first direction may be the longest among the plurality of wires.
[8]上記発明において、複数の前記線材の前記第1の方向に沿った長さは、前記仮想直線に近づくに従って漸次的又は段階的に長くなっていてもよい。 [8] In the above invention, the lengths of the plurality of wires along the first direction may be gradually or stepwise increased as the virtual line is approached.
[9]上記発明において、前記熱交換器は、前記磁気熱量効果材料から構成され、前記容器に充填された複数の粒材を備えており、前記第1の方向に沿った前記磁気熱量効果材料の長さは、前記第1の方向に沿って連なる複数の前記粒材の長さであってもよい。 [9] In the above invention, the heat exchanger is composed of the magnetocaloric effect material, includes a plurality of granules filled in the container, and the magnetocaloric effect material along the first direction. The length of may be the length of a plurality of the granular materials continuous along the first direction.
[10]上記発明において、前記第1の方向に沿って連なる複数の前記粒材の長さは、前記仮想直線の最も近くで、最も長くなっていてもよい。 [10] In the above invention, the lengths of the plurality of granular materials continuous along the first direction may be the longest and closest to the virtual line.
[11]上記発明において、前記第1の方向に沿って連なる複数の前記粒材の長さは、前記仮想直線に近づくに従って漸次的又は段階的に長くなっていてもよい。 [11] In the above invention, the lengths of the plurality of granular materials continuous along the first direction may be gradually or stepwise increased as approaching the virtual straight line.
[12]上記発明において、前記容器は、前記第1の開口に向かって先細となる筒状の第1のテーパ部と、前記第2の開口に向かって先細となる筒状の第2のテーパ部と、前記第1のテーパ部と前記第2のテーパ部を接続する筒状の胴部と、を含んでもよい。 [12] In the above invention, the container has a cylindrical first taper portion that tapers toward the first opening, and a cylindrical second taper that tapers toward the second opening. And a cylindrical body portion that connects the first tapered portion and the second tapered portion.
[13]上記発明において、前記第1の方向において、前記第1の開口と前記第2の開口が重複していてもよい。 [13] In the above invention, in the first direction, the first opening and the second opening may overlap.
[14]本発明に係る磁気ヒートポンプ装置は、上記の少なくとも一つの熱交換器と、前記磁気熱量効果材料に磁場を印加すると共に、前記磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、配管を介して前記容器にそれぞれ接続された第1及び第2の外部熱交換器と、前記磁場変更手段の動作に連動して前記容器から前記第1又は前記第2の外部熱交換器に前記流体を供給する流体供給手段と、を備えた磁気ヒートポンプ装置である。 [14] A magnetic heat pump device according to the present invention includes at least one heat exchanger, a magnetic field changing unit that applies a magnetic field to the magnetocaloric effect material and changes the magnitude of the magnetic field, and a pipe. The first and second external heat exchangers respectively connected to the container and the fluid is supplied from the container to the first or second external heat exchanger in conjunction with the operation of the magnetic field changing means. And a fluid heat supply device.
本発明によれば、第1の方向に沿った磁気熱量効果材料の長さが仮想直線の最も近くで最も長くなっている。これにより、容器内での流体の流速の均一化が図られるので、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。 According to the present invention, the length of the magnetocaloric effect material along the first direction is the longest closest to the virtual straight line. Thereby, since the flow velocity of the fluid in the container is made uniform, the heat exchange efficiency of the heat exchanger can be improved.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1及び図2は本実施形態における磁気ヒートポンプ装置の全体構成を示す図、図3〜図5は本実施形態におけるMCM熱交換器を示す図である。 1 and 2 are diagrams showing the overall configuration of the magnetic heat pump apparatus in the present embodiment, and FIGS. 3 to 5 are views showing an MCM heat exchanger in the present embodiment.
本実施形態における磁気ヒートポンプ装置1は、磁気熱量効果(Magnetocaloric effect)を利用したヒートポンプ装置であり、図1及び図2に示すように、第1及び第2のMCM熱交換器10,20と、ピストン30と、永久磁石40と、低温側熱交換器50と、高温側熱交換器60と、ポンプ70と、配管81〜84と、切替弁90と、を備えている。
The magnetic heat pump device 1 in the present embodiment is a heat pump device using a magnetocaloric effect, and as shown in FIGS. 1 and 2, first and second
本実施形態における第1及び第2のMCM熱交換器10,20が本発明における熱交換器の一例に相当し、本実施形態におけるピストン30及び永久磁石40が本発明における磁気変更手段の一例に相当し、低温側熱交換器50及び高温側熱交換器60が本発明における第1及び第2の外部熱交換器の一例に相当し、本実施形態における配管81〜84が本発明における配管の一例に相当し、本実施形態におけるポンプ70及び切替弁90が本発明における流体供給手段の一例に相当する。
The first and second
第1のMCM熱交換器10は、図3〜図5に示すように、複数の板材12と、当該板材12を収容する容器15と、を備えている。なお、第1のMCM熱交換器10の構造と、第2のMCM熱交換器20の構造は同一であるので、以下に第1のMCM熱交換器10の構成について詳細に説明し、第2のMCM熱交換器20の構成については説明を省略する。
As shown in FIGS. 3 to 5, the first
それぞれの板材12は、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料(MCM:Magnetocaloric Effect Material)を塑性加工等により板状に形成した部材から構成されている。このMCMから構成される板材12に磁場を印加すると、電子スピンが揃うことで磁気エントロピーが減少し、当該板材12は発熱して温度が上昇する。一方、板材12から磁場を除去すると、電子スピンが乱雑となり磁気エントロピーが増加し、当該板材12は吸熱して温度が低下する。なお、本実施形態における板状形状には、0.1mm程度の厚さの箔材も含む。
Each
この板材12を構成するMCMは、磁性体であれば特に限定されないが、例えば、10℃〜30℃程度の常温域にキュリー温度(キュリー点)を有し、常温域で高い磁気熱量効果を発揮する磁性体であることが好ましい。こうしたMCMの具体例としては、例えば、ガドリニウム(Gd)、ガドリニウム合金、ランタン−鉄−シリコン(La−Fe−Si)系化合物等を例示することができる。
The MCM that constitutes the
複数の板材12は、図3〜図5に示すように、第1のMCM熱交換器10の容器15に収容されている。この容器15の先端及び後端には第1及び第2の開口161,171がそれぞれ形成されている。容器15の内部空間151は、第1の開口161を介して、第1の低温側配管81に連通していると共に、第2の開口171を介して、第1の高温側配管83に連通している。
The several board |
この容器15の内周面152には、複数の板材12を支持する複数対の溝152a,152bが形成されている。複数の第1の溝152aは、容器15内における液体媒体の流通方向CL(すなわち、容器15の第1の開口161から第2の開口171に向かう方向。図中のX方向)に対して実質的に平行に延在している直線状の溝である。この複数の第1の溝152aは、容器15の内周面152に、図中のZ方向に実質的に等間隔に並んで配置されている。
A plurality of pairs of
複数の第2の溝152bも、上述の流通方向CLに対して実質的に平行に延在している直線状の溝である。この複数の第2の溝152bは、第1の溝152aに対向するように設けられており、容器15の内周面152に、図中のZ方向に実質的に等間隔に並んで配置されている。
The plurality of
複数の板材12は、当該板材12の延在方向が流通方向CLに対して実質的に平行となるように(すなわち、当該板材12の延在方向が図中のXY平面方向に対して実質的に平行となるように)、容器15の内部空間151に収容されている。そして、当該板材12の一方の側端部が第1の溝152aに挿入されていると共に、当該板材12の他方の側端部が第2の溝152bに挿入されている。これにより、それぞれの板材12が容器15の内周面152により支持されている。
The plurality of
この際、上述のように、第1の溝152aが実質的に等間隔に配置されていると共に、第2の溝152bも実質的に等間隔に配置されている。このため、複数の板材12が内周面152に支持された状態において、相互に隣り合う板材12同士の間に間隙153が形成されている。
At this time, as described above, the
図6は本実施形態における板材の変形例を示す図であり、図7は本実施形態における板材の別の変形例を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing a modification of the plate material in the present embodiment, and FIG. 7 is a diagram showing another modification of the plate material in the present embodiment.
なお、図6に示すように、板材12Bが、折り曲げ部121で二つ折にされた形状を有してもよい。この場合には、折り曲げ部121が第1の溝152aに挿入されると共に、板材12Bにおいて折り曲げ部121とは反対側の側端部が第2の溝152bに挿入されることで、それぞれの板材12Bが容器15の内周面152に支持される。
As shown in FIG. 6, the
また、図7に示すように、板材12Cが、両方の側端部に折り曲げ部122,123をそれぞれ有してもよい。この場合には、複数の板材12C同士を直接積層して積層体11を構成し、当該積層体11を容器15の内部空間151に収容する。複数の板材12Cを直接積層すると、折り曲げ部122,123によって、相互に隣り合う板材12Bの間に間隙124が形成される。このため、容器15の内周面152の溝152a,152bは不要となる。
Moreover, as shown in FIG. 7, 12 C of board | plate materials may have the bending
図3〜図5に戻り、本実施形態における容器15は、第1のテーパ部16と、第2のテーパ部17と、胴部18と、から構成された紡錘型の形状を有している。なお、本実施形態では、容器15が円形の断面形状を有しているが、特にこれに限定されず、例えば、容器15が矩形の断面形状を有していてもよい。
Returning to FIG. 3 to FIG. 5, the
第1のテーパ部16は、第1の開口161に向かって直径が小さくなる円筒形状を有している。第2のテーパ部17も、第2の開口171に向かって直径が小さくなる円筒形状を有している。第1のテーパ部16の中心軸と第2のテーパ部17の中心軸とが一致しており、上述の流通方向CLに沿って見た場合に、第1の開口161の全体が、第2の開口171の全体と重複している。なお、流通方向CLに沿って見た場合の第1の開口と第2の開口の位置関係は、第1の開口と第2の開口が部分的に重複していれば、特にこれに限定されない。
The first tapered
胴部18は、同一の直径で軸方向(図中のX方向)に延在する直筒型の形状を有しており、第1のテーパ部16と第2のテーパ部17の間に介在して、第1及び第2のテーパ部16,17を接続している。この胴部18は、上述の配管81,83の直径よりも大きな直径を有しており、特に限定されないが、例えば、配管81,83の直径に対して3倍程度の直径を有している。
The
そして、本実施形態における複数の板材12は、容器15の内部空間151の形状に対応した平面形状をそれぞれ有している。例えば、第1の開口161と第2の開口171を結ぶ仮想直線VLに最も近い板材12aは、全ての板材12の中で最も長い長さLmaxを有している。これに対し、仮想直線VLから最も遠い板材12zは、全ての板材12の中で最も短い長さLminを有している。
And the some board |
なお、本実施形態において、「仮想直線VLに最も近い板材12a」には、仮想直線VL上に位置する板材12aも含む。また、本実施形態における板材12の流通方向CLに沿った長さが、本発明における「第1の方向に沿った磁気熱量効果材料の長さ」の一例に相当する。
In the present embodiment, the “
このように、本実施形態では、容器15に収容された複数の板材12の流通方向CLに沿った長さが、仮想直線VLに近づくに従って漸次的に長くなっている。このため、容器15の内部空間151における仮想直線VLに近い位置では、液体媒体の圧力損失が大きくなり当該液体媒体の流速が低下する。これに対し、容器15の内部空間151における仮想直線VLから離れた位置では、液体媒体の圧力損失が小さくなり当該液体媒体の流速が上昇する。これにより、容器15内での液体媒体の流速の均一化が図られるので、第1のMCM熱交換器10の熱交換効率が向上する。
Thus, in this embodiment, the length along the flow direction CL of the plurality of
なお、本例において、「容器15の内部空間151における仮想直線VLに近い位置」とは、仮想直線VLを中心とした径方向(図中のZ方向)において、内部空間151内での仮想直線VLに近い位置を意味する。また、「容器15の内部空間151における仮想直線VLから離れた位置」とは、仮想直線VLを中心とした径方向(図中のZ方向)において、内部空間151内での仮想直線VLから離れた位置を意味する。
In this example, the “position close to the virtual straight line VL in the
図8は本実施形態におけるMCM熱交換器の第1の変形例を示す断面図である。 FIG. 8 is a cross-sectional view showing a first modification of the MCM heat exchanger in the present embodiment.
なお、図8に示すように、容器15に収容された複数の板材12の長さが、仮想直線VLに近づくに従って段階的に長くなっていてもよい。この第1の変形例の場合にも、容器15内での液体媒体の流速の均一化が図られるので、第1のMCM熱交換器10の熱交換効率が向上する。
In addition, as shown in FIG. 8, the length of the some board |
図9〜図11は本実施形態におけるMCM熱交換器の第2の変形例を示す図である。 9-11 is a figure which shows the 2nd modification of the MCM heat exchanger in this embodiment.
図9〜図11に示すように、板材12に代えて、複数の線材13を容器15に収容してもよい。この複数の線材13は、相互に束ねられていると共に、当該線材13の延在方向が流通方向CLに対して実質的に平行となるように、容器15の内部空間151に収容されている。この線材13は、例えば、円形の断面形状を有する線材である。なお、線材13同士を束ねた際に相互に隣り合う線材13の間に間隙131(図11参照)を形成可能であれば、線材13の断面形状は特に限定されない。
As shown in FIGS. 9 to 11, a plurality of
この第2の変形例でも、複数の線材13は、容器15の内部空間151の形状に対応した長さをそれぞれ有している。例えば、第1の開口161と第2の開口171を結ぶ仮想直線VLに最も近い線材13aは、全ての線材13の中で最も長い長さLmaxを有している。これに対し、仮想直線VLから最も遠い線材13zは、全ての線材13の中で最も短い長さLminを有している。
Also in this 2nd modification, the some
なお、本実施形態において、「仮想直線VLに最も近い線材13a」には、仮想直線VL上に位置する線材13aも含む。また、本実施形態における線材13の流通方向CLに沿った長さが、本発明における「第1の方向に沿った磁気熱量効果材料の長さ」の一例に相当する。
In the present embodiment, the “
この第2の変形例でも、容器15の内部空間151において仮想直線VLに近い位置では、液体媒体の圧力損失が大きくなり当該液体媒体の流速が低下する。これに対し、容器15の内部空間151において仮想直線VLから離れた位置では、液体媒体の圧力損失が小さくなり当該液体媒体の流速が上昇する。これにより、容器15内での液体媒体の流速の均一化が図られるので、第1のMCM熱交換器10の熱交換効率が向上する。
Also in the second modification, at a position close to the virtual straight line VL in the
本例において、「容器15の内部空間151において仮想直線VLに近い位置」とは、仮想直線VLを中心とした径方向(図中のYZ平面方向)において、内部空間151内での仮想直線VLに近い位置を意味する。また、「容器15の内部空間151における仮想直線VLから離れた位置」とは、仮想直線VLを中心とした径方向(図中のYZ平面方向)において、内部空間151内での仮想直線VLから離れた位置を意味する。
In this example, “a position close to the virtual straight line VL in the
なお、本例において、容器15に収容された複数の線材13の長さが、仮想直線VLに近づくに従って漸次的に長くなっているが、特にこれに限定されない。容器15に収容された複数の線材13の長さが、仮想直線VLに近づくに従って段階的に長くなっていてもよい。
In addition, in this example, although the length of the some
図12〜図14は本実施形態におけるMCM熱交換器の第3の変形例を示す図である。 12-14 is a figure which shows the 3rd modification of the MCM heat exchanger in this embodiment.
図12〜図14に示すように、板材12に代えて、複数の粒材14を容器15内に充填してもよい。この粒材14は、例えば球状の形状を有しているが、粒材14を容器15内に充填した際に相互に隣り合う粒材14の間に間隙141(図14参照)を形成可能であれば、粒材14の形状は特に限定されない。
As shown in FIGS. 12 to 14, a plurality of
この第3の変形例では、容器15の内部空間151が多数の粒材14で満たされているので、容器15の内部空間151において仮想直線VLに最も近い位置で、流通方向CLに沿って連なる粒材14の長さが最も長くなっている(図12におけるLmax)。これに対し、容器15の内部空間151において仮想直線VLに最も遠い位置では、流通方向CLに沿って連なる粒材14の長さが最も短くなっている(図12におけるLmin)。
In the third modified example, since the
なお、本実施形態において、「仮想直線VLの最も近くで流通方向CLに沿って連なる複数の粒材14」には、仮想直線VL上に位置する粒材14も含む。また、本実施形態における「流通方向CLに沿って連なる複数の粒材14の長さ」が、本発明における「第1の方向に沿った磁気熱量効果材料の長さ」の一例に相当する。
In the present embodiment, “the plurality of
この第3の変形例でも、容器15の内部空間151において仮想直線VLに近い位置では、液体媒体の圧力損失が大きくなり当該液体媒体の流速が低下する。これに対し、容器15の内部空間151において仮想直線VLから離れた位置では、液体媒体の圧力損失が小さくなり当該液体媒体の流速が上昇する。これにより、容器15内での液体媒体の流速の均一化が図られるので、第1のMCM熱交換器10の熱交換効率が向上する。
Also in the third modification, the pressure loss of the liquid medium increases and the flow speed of the liquid medium decreases at a position close to the virtual straight line VL in the
本例において、「容器15の内部空間151において仮想直線VLに近い位置」とは、仮想直線VLを中心とした径方向(図中のYZ平面方向)において、内部空間151内での仮想直線VLに近い位置を意味する。また、「容器15の内部空間151における仮想直線VLから離れた位置」とは、仮想直線VLを中心とした径方向(図中のYZ平面方向)において、内部空間151内での仮想直線VLから離れた位置を意味する。
In this example, “a position close to the virtual straight line VL in the
なお、本例において、流通方向CLに沿って連なる粒材14の長さが、仮想直線VLに近づくに従って漸次的に長くなっているが、特にこれに限定されない。流通方向CLに沿って連なる粒材14の長さが、仮想直線VLに近づくに従って段階的に長くなっていてもよい。
In addition, in this example, although the length of the
図1に戻り、容器15の内部空間151は、第1の開口161に接続された第1の低温側配管81を介して、低温側熱交換器50に連通していると共に、第2の開口171に接続された第1の高温側配管83を介して、高温側熱交換器60に連通している。
Returning to FIG. 1, the
第2のMCM熱交換器20の容器も、図2に示すように、板材22が収容されていると共に第1及び第2の開口261,271が形成された内部空間251を有している。第1の開口261は、第2の低温側配管82を介して、低温側熱交換器50に連通している。これに対し、第2の開口271は、第2の高温側配管84を介して、高温側熱交換器60に連通している。
As shown in FIG. 2, the container of the second
例えば、本実施形態における磁気ヒートポンプ装置1を用いた空気調和装置を冷房として機能させる場合には、低温側熱交換器50と室内の空気との間で熱交換を行うことで室内を冷やすと共に、高温側熱交換器60と室外との間で熱交換を行うことで室外に放熱する。
For example, when the air conditioner using the magnetic heat pump device 1 in the present embodiment functions as cooling, the room is cooled by exchanging heat between the low temperature
これに対し、当該空気調和装置を暖房として機能させる場合には、高温側熱交換器60と室内の空気との間で熱交換を行うことで室内を暖めると共に、低温側熱交換器50と室外の空気との間で熱交換を行うことで室外から吸熱する。
On the other hand, when the air conditioner functions as heating, the room is warmed by exchanging heat between the high temperature
以上のように、2つの低温側配管81,82と2つの高温側配管83,84によって、4つの熱交換器10,20,50,60を含む循環路が形成されており、ポンプ70によって当該循環路内に液体媒体が圧送される。液体媒体の具体例としては、例えば、水、不凍液、エタノール溶液、または、これらの混合物等の液体を例示することができる。本実施形態における液体媒体が、本発明における流体の一例に相当する。
As described above, a circulation path including the four
2つのMCM熱交換器10,20は、ピストン30の内部に収容されている。このピストン30は、アクチュエータ35によって、一対の永久磁石40の間を往復移動することが可能となっている。具体的には、このピストン30は、図1に示すような「第1の位置」と、図2に示すような「第2の位置」との間を往復移動することが可能となっている。なお、アクチュエータ35の一例としては、例えば、ボールねじ機構を備えたモータやエアシリンダ等を例示することができる。
The two
ここで、「第1の位置」は、第1のMCM熱交換器10が永久磁石40の間に介在せず、第2のMCM熱交換器20が永久磁石40の間に介在するようなピストン30の位置である。これに対し、「第2の位置」は、第1のMCM熱交換器10が永久磁石40の間に介在し、第2のMCM熱交換器20が永久磁石40の間に介在しないようなピストン30の位置である。
Here, the “first position” refers to a piston in which the first
なお、第1及び第2のMCM熱交換器10,20に代えて、永久磁石40をアクチュエータ35により往復移動させてもよい。或いは、永久磁石40に代えて、コイルを有する電磁石を用いてもよく、この場合には、MCM熱交換器10,20又は磁石を移動させる機構が不要となる。また、コイルを有する電磁石を用いる場合には、MCM熱交換器10,20の板材12,22に対する磁場の印加/除去に代えて、板材12,22に印加した磁場の大きさを変更するようにしてもよい。
Note that the
切替弁90は、第1の高温側配管83と第2の高温側配管84に設けられている。この切替弁90は、上述のピストン30の動作に連動して、ポンプ70による液体媒体の供給先を、第1のMCM熱交換器10、又は、第2のMCM熱交換器20に切り替えると共に、高温側熱交換器60の接続先を、第2のMCM熱交換器20、又は、第1のMCM熱交換器10に切り替えることが可能となっている。
The switching
次に、本実施形態における磁気ヒートポンプ装置1の動作について、図1及び図2を参照しながら説明する。 Next, operation | movement of the magnetic heat pump apparatus 1 in this embodiment is demonstrated, referring FIG.1 and FIG.2.
先ず、ピストン30を図1に示す「第1の位置」に移動させると、第1のMCM熱交換器10の板材12が消磁されて温度が低下する一方で、第2のMCM熱交換器20の板材22が着磁されて温度が上昇する。
First, when the
これと同時に、切替弁90によって、ポンプ70→第1の高温側配管83→第1のMCM熱交換器10→第1の低温側配管81→低温側熱交換器50→第2の低温側配管82→第2のMCM熱交換器20→第2の高温側配管84→高温側熱交換器60→ポンプ70からなる第1の経路が形成される。
At the same time, the switching
このため、消磁によって温度が低下した第1のMCM熱交換器10の板材12によって液体媒体が冷却され、当該液体媒体が低温側熱交換器50に供給されて、当該低温側熱交換器50が冷却される。
For this reason, the liquid medium is cooled by the
この際、第1のMCM熱交換器10の内部において、板材12の間に形成された間隙153を液体媒体が通過して板材12と接触することで、当該液体媒体が板材12によって冷却される。また、本実施形態では、容器15に収容された複数の板材12の長さが、仮想直線VLに近づくに従って漸次的に長くなっているので、容器15内での液体媒体の流速の均一化が図られている。
At this time, in the first
一方、着磁されて温度が上昇した第2のMCM熱交換器20の板材22によって液体媒体が加熱され、当該液体媒体は高温側熱交換器60に供給されて、当該高温側熱交換器60が加熱される。
On the other hand, the liquid medium is heated by the
この際、第2のMCM熱交換器20の内部において、板材22の間に形成された間隙を液体媒体が通過して板材22と接触することで、当該液体媒体が板材22によって加熱される。また、本実施形態では、容器25に収容された複数の板材22の長さが、仮想直線VLに近づくに従って漸次的に長くなっているので、容器25内での液体媒体の流速の均一化が図られている。
At this time, inside the second
次いで、ピストン30を図2に示す「第2の位置」に移動させると、第1のMCM熱交換器10の板材12が着磁されて温度が上昇する一方で、第2のMCM熱交換器20の板材22が消磁されて温度が低下する。
Next, when the
これと同時に、切替弁90によって、ポンプ70→第2の高温側配管84→第2のMCM熱交換器20→第2の低温側配管82→低温側熱交換器50→第1の低温側配管81→第1のMCM熱交換器10→第1の高温側配管83→高温側熱交換器60→ポンプ70からなる第2の経路が形成される。
At the same time, the switching
このため、消磁によって温度が低下した第2のMCM熱交換器20の板材22によって液体媒体が冷却され、当該液体媒体が低温側熱交換器50に供給されて、当該低温側熱交換器50が冷却される。
For this reason, the liquid medium is cooled by the
この際、第2のMCM熱交換器20の内部において、板材22の間に形成された間隙を液体媒体が通過して板材22と接触することで、当該液体媒体が板材22によって冷却される。また、本実施形態では、容器25に収容された複数の板材22の長さが、仮想直線VLに近づくに従って漸次的に長くなっているので、容器25内での液体媒体の流速が均一化が図られている。
At this time, inside the second
一方、着磁されて温度が上昇した第1のMCM熱交換器10の板材12によって液体媒体が加熱され、当該液体媒体は高温側熱交換器60に供給されて、当該高温側熱交換機60が加熱される。
On the other hand, the liquid medium is heated by the
この際、第1のMCM熱交換器10の内部において、板材12の間に形成された間隙153を液体媒体が通過して板材12と接触することで、当該液体媒体が板材12によって加熱される。また、本実施形態では、容器15に収容された複数の板材12の長さが、仮想直線VLに近づくに従って漸次的に長くなっているので、容器15内での液体媒体の流速が均一化が図られている。
At this time, in the first
そして、以上に説明したピストン30の「第1の位置」と「第2の位置」との間の往復移動を繰り返し、第1及び第2のMCM熱交換器10,20内の板材12,22に対する磁場の印加/除去を繰り返すことにより、低温側熱交換器50の冷却と、高温側熱交換器60の加熱とが継続される。
Then, the reciprocating movement between the “first position” and the “second position” of the
以上のように、本実施形態では、第1のMCM熱交換器10において、流通方向CLに沿った板材12の長さが、仮想直線VLの最も近くで最も長くなっている。このため、容器15内での液体媒体の流速の均一化が図られるので、第1のMCM熱交換器10の熱交換効率の向上を図ることができる。
As described above, in the present embodiment, in the first
また、第2のMCM熱交換器20においても、流通方向に沿った板材22の長さが、仮想直線の最も近くで最も長くなっている。このため、容器25内での液体媒体の流速の均一化が図られるので、第2のMCM熱交換器20の熱交換効率の向上を図ることができる。
Also in the second
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 The embodiment described above is described for facilitating the understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
上述した磁気ヒートポンプ装置の構成は一例であり、本発明に係る熱交換器をAMR(Active Magnetic Refrigerataion)方式の他の磁気ヒートポンプ装置に適用してもよい。 The configuration of the magnetic heat pump device described above is an example, and the heat exchanger according to the present invention may be applied to other magnetic heat pump devices of an AMR (Active Magnetic Refrigerataion) system.
例えば、磁気ヒートポンプ装置が、一つのMCM熱交換器と、当該MCMに磁場を印加すると共に磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、配管を介してMCM熱交換器にそれぞれ接続された第1及び第2の外部熱交換器と、磁場変更手段の動作に連動してMCM熱交換器から第1又は第2の外部熱交換器に流体を供給する流体供給手段と、を備えてもよい。 For example, the magnetic heat pump device includes a first MCM heat exchanger, a magnetic field changing unit that applies a magnetic field to the MCM and changes the magnitude of the magnetic field, and a first connected to the MCM heat exchanger via a pipe. And a second external heat exchanger and fluid supply means for supplying fluid from the MCM heat exchanger to the first or second external heat exchanger in conjunction with the operation of the magnetic field changing means.
また、上述の実施形態では、磁気ヒートポンプ装置を家庭用或いは自動車等の空気調和装置に適用した例について説明したが、特にこれに限定されない。例えば、用途に応じた適切なキュリー温度を有するMCMを選定することで、冷凍機のような極低温域での用途、或いは、ある程度高温域での用途に、本発明に係る磁気ヒートポンプ装置を適用してもよい。 Moreover, although the above-mentioned embodiment demonstrated the example which applied the magnetic heat pump apparatus to air conditioners, such as home use or a motor vehicle, it is not specifically limited to this. For example, by selecting an MCM having an appropriate Curie temperature according to the application, the magnetic heat pump device according to the present invention can be applied to an application in a cryogenic temperature region such as a refrigerator or an application in a certain high temperature region. May be.
1…磁気ヒートポンプ装置
10…第1のMCM熱交換器
11…積層体
12,12B,12C…板材
121〜123…折り曲げ部
124…間隙
13…線材
131…間隙
14…粒材
141…間隙
15…容器
151…内部空間
152…内周面
152a…第1の溝
152b…第2の溝
153…間隙
16…第1のテーパ部
161…第1の開口
17…第2のテーパ部
171…第2の開口
18…胴部
20…第2のMCM熱交換器
22…板材
25…容器
251…内部空間
261…第1の開口
271…第2の開口
30…ピストン
35…アクチュエータ
40…永久磁石
50…低温側熱交換器
60…高温側熱交換器
70…ポンプ
81〜82…第1〜第2の低温側配管
83〜84…第3〜第4の高温側配管
90…切替弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magnetic
152a ... first groove
152b ...
Claims (8)
磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料と、
前記磁気熱量効果材料を収容する容器と、を備えており、
前記容器は、
流体が前記容器に流入し又は前記容器から流出する第1の開口と、
前記流体が前記容器から流出し又は前記容器に流入する第2の開口と、を有しており、
前記第1の開口から前記第2の開口に向かう第1の方向に沿った前記磁気熱量効果材料の長さは、前記第1の開口と前記第2の開口とを結ぶ仮想直線の最も近くで、最も長くなっている熱交換器。 A heat exchanger used in a magnetic heat pump device,
A magnetocaloric material having a magnetocaloric effect;
A container for containing the magnetocaloric effect material,
The container is
A first opening through which fluid flows into or out of the container;
A second opening through which the fluid flows out of or into the container;
The length of the magnetocaloric effect material along the first direction from the first opening toward the second opening is closest to an imaginary straight line connecting the first opening and the second opening. The heat exchanger that is the longest.
前記第1の方向に沿った前記磁気熱量効果材料の長さは、前記仮想直線に近づくに従って漸次的又は段階的に長くなっている熱交換器。 The heat exchanger according to claim 1,
The length of the magnetocaloric effect material along the first direction is increased gradually or stepwise as it approaches the virtual straight line.
前記熱交換器は、前記磁気熱量効果材料から構成された複数の板材を備え、
複数の前記板材は、相互に間隔を空けて配置され又は相互に積層され、且つ、前記板材の延在方向が前記第1の方向と実質的に平行となるように前記容器に収容されており、
前記第1の方向に沿った前記磁気熱量効果材料の長さは、前記板材の前記第1の方向に沿った長さである熱交換器。 The heat exchanger according to claim 1 or 2,
The heat exchanger includes a plurality of plates made of the magnetocaloric effect material,
The plurality of plate members are disposed in the container so as to be spaced apart from each other or stacked on each other, and so that the extending direction of the plate members is substantially parallel to the first direction. ,
The length of the magnetocaloric effect material along the first direction is a length of the plate material along the first direction.
前記熱交換器は、前記磁気熱量効果材料から構成された複数の線材を備え、
複数の前記線材は、相互に束ねられていると共に、前記線材の延在方向が前記第1の方向と実質的に平行となるように前記容器に収容されており、
前記第1の方向に沿った前記磁気熱量効果材料の長さは、前記線材の前記第1の方向に沿った長さである熱交換器。 The heat exchanger according to claim 1 or 2,
The heat exchanger includes a plurality of wires composed of the magnetocaloric effect material,
The plurality of wires are bundled with each other and housed in the container so that the extending direction of the wires is substantially parallel to the first direction,
The length of the magnetocaloric effect material along the first direction is a length of the wire along the first direction.
前記熱交換器は、前記磁気熱量効果材料から構成され、前記容器に充填された複数の粒材を備えており、
前記第1の方向に沿った前記磁気熱量効果材料の長さは、前記第1の方向に沿って連なる複数の前記粒材の長さである熱交換器。 The heat exchanger according to claim 1 or 2,
The heat exchanger is composed of the magnetocaloric effect material, and includes a plurality of granules filled in the container,
The length of the magnetocaloric effect material along the first direction is a length of a plurality of the granular materials that are continuous along the first direction.
前記容器は、
前記第1の開口に向かって先細となる筒状の第1のテーパ部と、
前記第2の開口に向かって先細となる筒状の第2のテーパ部と、
前記第1のテーパ部と前記第2のテーパ部を接続する筒状の胴部と、を含む熱交換器。 It is a heat exchanger as described in any one of Claims 1-5,
The container is
A cylindrical first taper portion that tapers toward the first opening;
A cylindrical second taper portion that tapers toward the second opening;
A heat exchanger comprising: the first tapered portion and a cylindrical body portion that connects the second tapered portion.
前記第1の方向において、前記第1の開口と前記第2の開口が重複している熱交換器。 It is a heat exchanger as described in any one of Claims 1-6,
The heat exchanger in which the first opening and the second opening overlap in the first direction.
前記磁気熱量効果材料に磁場を印加すると共に、前記磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、
配管を介して前記容器にそれぞれ接続された第1及び第2の外部熱交換器と、
前記磁場変更手段の動作に連動して前記容器から前記第1又は前記第2の外部熱交換器に前記流体を供給する流体供給手段と、を備えた磁気ヒートポンプ装置。 At least one heat exchanger according to any one of claims 1 to 7;
A magnetic field changing means for applying a magnetic field to the magnetocaloric effect material and changing the magnitude of the magnetic field;
First and second external heat exchangers respectively connected to the vessel via piping;
And a fluid supply means for supplying the fluid from the container to the first or second external heat exchanger in conjunction with the operation of the magnetic field changing means.
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