JP2017510776A - 伝熱機器及び伝熱機器の熱交換を最適化するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 伝熱機器及び伝熱機器の熱交換を最適化するための方法を提供する。【解決手段】 本発明は、奇数のＮ個の閉じた一次回路（Ｐ１０，ｉ、Ｎ≧３、ｉ∈［１，Ｎ］）を備える伝熱機器（１０）であって、一次回路がそれぞれ、少なくとも１つの熱交換区域（Ｅ１０）に直列に接続された少なくとも２つの流出点（Ａ１０，ｉ、Ｂ１０，ｉ）を備え、一次回路内で、一次流体が、同一の流量及び体積を有するが逆方向である半周期Ｔ／２の２つの変位段階を含む周期Ｔの交番サイクルで循環している伝熱機器（１０）に関し、一次流体循環サイクルは、前記各一次回路（Ｐ１０，ｉ）どうしの間でＴ／２Ｎだけ位相シフトされ、前記交換区域（Ｅ１０）の入口は、一次回路それぞれの流出点の一方に一方向で接続され、前記交換区域の出口は、前記一次回路の他方の流出点に一方向で接続され、それにより、前記交換区域（Ｅ１０）に入る伝熱流体流量の和が、常にゼロよりも大きくなり、本発明はまた、そのような伝熱機器（１０）の熱交換を最適化するための方法に関する。【選択図】 図１

Description

本発明は、奇数のＮ個の閉じた一次回路を備える伝熱機器であって、一次回路がそれぞれ、二次流体が循環する少なくとも１つの熱交換区域に直列に接続された少なくとも２つの流出点を備え、伝熱機器がさらに操作デバイスを備え、操作デバイスが、一次流体と呼ばれる伝熱流体を、前記一次回路内で、半周期Ｔ／２の２つの変位段階を含む周期Ｔの交番サイクルで変位させ、前記段階が、同一の流量及び体積プロファイルを逆向きに生成する２つの一次流体変位に対応する伝熱機器に関する。

本発明はまた、奇数のＮ個の閉じた一次回路を備える伝熱機器の熱交換を最適化するための方法であって、一次回路がそれぞれ、二次流体が循環する少なくとも１つの熱交換区域に直列に接続された少なくとも２つの流出点を備え、前記方法が、一次流体と呼ばれる伝熱流体を、前記一次回路内で、半周期Ｔ／２の２つの変位段階を含む周期Ｔの交番サイクルで変位させるステップであって、前記段階が、同一の流量及び体積プロファイルを逆向きに生成する２つの一次流体変位に対応するステップを含む方法に関する。

伝熱機器は、発生した熱エネルギーを外部機器と交換することが可能でなければならない。そのような交換は、一般に、好ましくは最適な熱交換を行うように設計された熱交換機によって実現される。一次流体（すなわち伝熱機器によって発生された熱エネルギーを輸送する伝熱流体）が交番往復運動で変位される伝熱機器の場合、一次流体の循環の方向の変化により、一次流体と外部機器の流体（二次流体と呼ばれる）との間の熱交換の効率が問題になる。実際、一次流体の循環の方向のこの反転は、一方で、時として逆向きの流れで行われ、時として同じ向きの流れで行われる熱交換をもたらし、他方で、熱交換機内での一次流体の変位を一定でなくし、がたつかせて、一次回路の入口／出口での温度の逆転をもたらし、したがって熱交換が最適でなくなる。

本発明において、一次流体の交番変位は、循環の方向の規則的な変化を伴う、すなわち前後運動を伴う変位に対応する。これは、特に磁気熱量型の伝熱機器に当てはまり、そのような伝熱機器では、一次流体は、磁気熱量材料を通して往復運動で変位されて、磁気熱量材料において熱勾配を設定する。

これらの伝熱機器は、特定の材料の磁気熱量効果（ＭＣＥ）を使用し、この効果は、磁場にさらされるときのそれらの温度の変化である。そのような機器では、磁気熱量材料は一連の磁化段階及び消磁段階を受け、これらの材料のできるだけ広い温度変化（温度勾配）を実現するように一次伝熱流体を用いて熱交換が行われる。この目的で、一次流体の循環は交番され、この一次流体は、磁気熱量材料を貫通するチャネル又は孔内を循環する。磁気熱量サイクルは２つの段階、すなわち磁化段階及び消磁段階を含み、これは、各段階で利用可能なエネルギーを生み出す。このサイクルは、数ヘルツまでの周波数で繰り返される。これらの段階中、一次流体は、磁気熱量材料を通って流れ、いわゆる磁化段階中には材料の接触時に加熱し、又はいわゆる消磁段階中には材料の接触時に冷却する。

したがって、往復する一次流体の流れを使用する伝熱機器では、二次流体との熱交換は、循環の方向の変化の周波数、及び一次流体の温度に大きく依存する。この現象は、磁気熱量型の伝熱機器で強められ、ここで、変位される一次伝熱流体が、加熱されている磁気熱量材料又は冷却されている磁気熱量材料と熱交換を行う。一次伝熱流体が往復運動を行うので、一次流体は、循環の方向が変化するたびに熱交換機内で停止する。これらの停止は、熱交換機の効率に対する悪影響を有する。なぜなら、定常状態変位動作がそれ自体確立されず、交換機内の熱交換が安定でなく、それにより周囲温度の影響が高められ、熱損失をもたらすからである。

したがって、伝熱機器のパワーを最適に利用するために、改良され、最適化され、できるだけ一定の、一次回路と二次回路との間の熱交換特性を提供する必要がある。上で説明したように、一次流体の順次の往復及び連続的でない変位を使用する一次回路の場合、伝熱機器の一次回路と二次回路との熱交換の管理が問題となる。

本発明は、熱交換機内の休止時間をできるだけ短縮するように熱交換区域内の一次流体の流量変化を制限することにより、一次流体と１つ又は複数の外部機器の二次流体との間の熱エネルギー伝達が最適化される伝熱機器を提供することによって、これらの欠点を克服することを狙いとする。

この目的で、本発明は、プリアンブルに記載した種類の伝熱機器であって、操作デバイスが、前記各一次回路どうしの間で一次流体のサイクルの開始がＴ／２Ｎだけ位相シフトされるように構成され、前記交換区域の入口が、前記一次回路の流出点の第１のグループを備える第１のセットに一方向で接続され、交換区域の一次流体流量放出成分が、互いに対してＴ／Ｎだけ位相シフトされ、交換区域の出口が、前記一次回路の流出点の第２のグループを備える第２のセットに一方向で接続され、交換区域の一次流体流量放出成分が、やはり互いに対してＴ／Ｎだけ位相シフトされ、かつ前記第１のセットの流出点から出る一次流体流量成分に対してＴ／２だけ位相シフトされ、それにより、前記交換区域に入る第１のセットの伝熱流体流量の和が、常にゼロよりも大きいことを特徴とする伝熱機器に関する。

そのような手段は、一次流体が熱交換機内で常に動くことを保証し、したがって、できる限り安定な一次流体の流量を生み出す傾向、及びそれにより一次流体と二次流体との間の熱交換を最適化する定常状態動作を生み出す傾向を与えることを可能にする。

第１の点セットは、前記一次回路それぞれの流出点の１つを備えることができ、第２の点セットは、他の流出点を備えることができる。

流出点と対応する交換区域との間の一方向流体接続を実現するために、流体連絡を保証する管路内に、逆止弁タイプの制御デバイス、又は同じ機能を実現する（すなわち、一方向にのみ流体を流し、逆方向に循環するのを妨げる）任意の同様のデバイス、例えば電気的に制御される又は圧力差によって制御される液圧弁を組み込むことができる。したがって、一次流体の循環の方向に従って、一次流体は、半周期Ｔ／２中には所与の接続部で循環することがあり、残りの半周期中には前記接続部での流体変位は存在しない。

一次流体の全体の変位期間にわたる熱交換を実現するために、伝熱機器は、交換区域を備えることもでき、交換区域の出口が、第１のセットの流出点に一方向で接続され、流出点の入口が、第２のセットの流出点に一方向で接続される。

第１の変形形態によれば、前記一次回路は、前記交換区域内の共通の管路内に合流することができる。

別の変形形態によれば、前記一次回路は、前記交換区域内の個別の管路に接続することができる。

機器の効率をさらに最適化するために、前記交換区域は、一次流体と二次流体が互いに逆向きに流れるように構成することができる。

一次回路内の一次流体の操作デバイスは、ピストンを移動させる制御カムを備えることができ、前記カムのプロファイルは、各一次回路内で周期Ｔの周期的運動に従って伝熱流体の変位を決定するようなものでよい。

好ましくは、カムプロファイルは、ピストンの変位を決定することができ、それにより、一次流体は、前記一次回路内で、以下に従って順に変位される。
ｉ）Ｔ／２Ｎに対応する期間にわたる、線形増加する正の流量、
ｉｉ）次いで、（Ｎ−２）Ｔ／２Ｎに対応する期間にわたる一定の正の流量、
ｉｉｉ）次いで、Ｔ／２Ｎに対応する期間にわたる、線形減少する正の流量、
ｉｖ）次いで、Ｔ／２Ｎに対応する期間にわたる線形減少する負の流量、
ｖ）次いで、（Ｎ−２）Ｔ／２Ｎに対応する期間にわたる一定の負の流量、
ｖｉ）次いで、Ｔ／２Ｎに対応する期間にわたる線形増加する負の流量。

そのような流量プロファイルは、交換区域内での一定の一次流体流量の実現を可能にする。

さらに、本発明による機器は、奇数個の一次回路を備えるとき、交換区域のレベルで改良された効率を示す。したがって、この機器は、好ましくは３つの一次回路を備えることができる。

本発明による伝熱機器の一次回路はそれぞれ、少なくとも２つの交換区域によって２×２で接続された４つの流出点を備えることができる。この伝熱機器は、少なくとも２つの交換区域によって２×２で接続された４つの流出点を備えることができる。

一次回路内の一次流体の操作デバイスは、ピストンを移動させる少なくとも１つの制御カムを備えることができ、制御カムは、各一次回路内で周期Ｔの周期的往復運動に従って一次流体の変位を決定するように構成されたプロファイルを備えることができる。

一次回路は、少なくとも１つの磁気熱量要素をさらに備えることができ、磁気容量要素を通って一次流体が流れ、前記伝熱機器は、磁気構成を備えることができ、磁気構成は、前記磁気熱量要素を交互に磁場変化にさらして、前記磁気熱量要素で加熱段階及び冷却段階を交互に生み出すように構成される。

本発明はまた、プリアンブルに記載した熱交換を最適化するための方法であって、さらに、前記各一次回路どうしの間で一次流体のサイクルの開始をＴ／２Ｎだけ位相シフトさせるステップ、前記交換区域の入口を、前記一次回路の流出点の第１のグループを備える第１のセットに一方向で接続するステップであって、交換区域の一次流体流量放出成分が、互いに対してＴ／Ｎだけ位相シフトされるステップ、及び、交換区域の出口を、前記一次回路の流出点の第２のグループを備える第２のセットに一方向で接続するステップであって、交換区域の一次流体流量放出成分が、やはり互いに対してＴ／Ｎだけ位相シフトされ、かつ前記第１のセットの流出点から出る一次流体流量成分に対してＴ／２だけ位相シフトされ、それにより、前記交換区域に入る第１のセットの伝熱流体流量の和が、常にゼロよりも大きいステップを含むことを特徴とする方法に関する。

この方法は、特に、本発明による伝熱機器の熱交換を最適化するものでよい。

本発明及びその利点は、添付図面を参照して、非限定的な例として与えられたいくつかの変形実施形態の以下の説明でより良く明らかになろう。

本発明による伝熱機器の３つの一次回路を示し、かつ二次回路との熱交換を可能にする熱交換区域も示す図である。 ６秒に対応する周期Ｔ中の、図１の３つの一次回路内の一次流体の流量を表す図である。 ６秒の周期Ｔ中の、図１の一次回路の３つの流出点から出る一次流体流量の正の成分を表す図である。 ６秒の周期Ｔ中の、交換区域に接続された図１の一次回路の３つの他の流出点から出る一次流体流量の正の成分を表す図である。 周期Ｔ中の様々な流出点から出る流量の正の成分、及び３つの流出点に関する対応する流量の和を示す表である。 本発明の変形形態に従って交換区域が具現化された伝熱機器の概略図である。 一次回路が２つの交換区域に接続された、本発明による伝熱機器の概略図である。 ２つの交換区域に接続された４つの端部を備える、本発明による伝熱機器の一次回路を概略的に示す図である。 図１に示される変形形態に従って実現される伝熱機器を示す図である。

例示的実施形態では、同一の要素又は部分は同じ参照番号を有する。

本発明は、特定のタイプの伝熱装置に限定されない。本発明は、一次流体と呼ばれる伝熱流体を備える伝熱装置であって、その一次流体が、伝熱機器によって生成される熱エネルギーを輸送するように意図された往復運動に従って変位されて、二次流体と呼ばれる別の伝熱流体への熱交換によって熱を伝達する任意の伝熱装置に関する。一次流体及び二次流体は、好ましくは液体である。さらに、一次流体は、好ましくは非圧縮性であり、二次流体は、好ましくは、外部機器を冷却、加熱、及び操作するためのポンプ又は任意の同様の手段によって連続的に変位される。

例示される伝熱機器１０、２０、３０、４０は、参照符号Ｇ_１０、Ｇ_２０、Ｇ_３０、Ｇ_４０で表される機器コアを備え、機器コアは、少なくとも３つの一次回路Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉを備え、これらの一次回路内で、一次流体と呼ばれる伝熱流体が、交番又は両方向変位に従って循環する。機器のコアＧ_１０、Ｇ_２０、Ｇ_３０、Ｇ_４０で熱エネルギーが生成される。一次流体は、一次回路Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉ内で２つの逆向きの循環方向で連続的な前後運動を行う。この前後運動は、例えば、制御カムプロファイルＣ_１０によって移動されるピストンＰによって実現することができる。そのようなピストンは剛性でよく、又は例えばメンブレンなど、変形可能でもよい。当然、一次流体を変位させることが可能な任意の他の手段を使用することもできる。さらに、ピストンなどの変位は、操作デバイスによって制御することができ、操作デバイスは、前記ピストンを前後に移動させることが可能なカム、磁気デバイス、リニアモータ、又は任意の等価な手段でよい。

図１の線図及び他の線図において、一次回路Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉは、非常に概略的に示されている。特に、それらは、例えばシール、チャネル、流体拡散又は分配システムなど、他の図示しない要素を備えることができる。一次回路Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉは、好ましくは閉じられており、一定の体積を有する。

添付図面の矢印は、図４の線図による所与の瞬間における、伝熱機器１０、２０、３０、４０内での一次流体及び二次流体の循環の方向を示す。

各一次回路Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉ内で、一次流体は、機械的なばらつきは別として同一の流量及び体積プロファイルに従って、周期Ｔの同じ交番往復運動に従って変位される。この交番運動は、場合によっては、１回又は複数回の停止時点を含むことがあり、停止時点中、一次流体は変位されない。伝熱流体の変位は、各一次回路Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉ内で同一の運動に従って行われ、一方の半周期Ｔにおける一方向での変位、及び他方の半周期Ｔにおける逆方向での変位を含む。一次流体の流量プロファイルは、すべての一次回路で同一であるが、互いに対して周期Ｔ／２Ｎだけ位相シフトされており、ここで、Ｎは一次回路の数である。さらに、各一次回路Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉは、少なくとも２つの流出点を備え、これらの流出点は、流出点Ａ_１０，１、Ａ_１０，２、Ａ_１０，３、Ｂ_１０，１、Ｂ_１０，２、Ｂ_１０，３；Ａ_２０，１、Ａ_２０，２、Ａ_２０，３、Ｂ_２０，１、Ｂ_２０，２、Ｂ_２０，３；Ａ_３０，１、Ａ_３０，２、Ａ_３０，３、Ｂ_３０，１、Ｂ_３０，２、Ｂ_３０，３；Ａ_４０，１、Ａ_４０，２、Ａ_４０，３、Ｂ_４０，１、Ｂ_４０，２、Ｂ_４０，３；Ａ’_４０，１、Ａ’_４０，２、Ａ’_４０，３、Ｂ’_４０，１、Ｂ’_４０，２、Ｂ’_４０，３のレベルで、少なくとも１つの熱交換区域Ｅ_１０、Ｅ_２０、Ｅ_３０，１、Ｅ_３０，２、Ｅ_４０，１、Ｅ_４０，２、Ｅ’_４０，１、Ｅ’_４０，２によって互いに接続される。一次回路の流出点と交換区域の入口との間、又は交換区域の出口と一次回路の流出点との間の流体接続は、一方向である。

この目的で、交換区域の入口との流体接続は、一次回路の対応する流出点から対応する入口に向かってのみ流体循環を許可する手段を備え、交換区域の出口との流体接続は、交換区域の出口から一次回路の対応する流出点に向かってのみ流体循環を許可する手段を備える。一次流体の循環の方向を制御するためのそのような手段は、例えば逆止弁などから形成することができる。

一次流体の変位は、周期Ｔ中の前後運動に従って実現され、それにより、一次回路Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉからの一次流体は、半周期Ｔ／２中にのみ交換区域Ｅ_１０、Ｅ_２０、Ｅ_３０，１、Ｅ_３０，２、Ｅ_４０，１、Ｅ_４０，２、Ｅ’_４０，１、Ｅ’_４０，２に向けることができ、上記の期間中、対応する流出点での一次流体流量プロファイルの放出成分が正であり、交換区域との流体接続がこの方向で可能であると仮定される。所定の方向に流れるときにのみ流体がパイプ内を通るのを許可する逆止弁又は任意の他の手段の存在により、対応する交換区域との流体接続を可能にする又は不可能にすることができる。したがって、交換区域によって互いに接続された流出点から出る一次流体の流量プロファイルの成分は、Ｔ／２Ｎだけ位相シフトされる。

したがって、流出点から出る一次流体の流量プロファイルの成分は、一次流体の２つの変位段階のうち一方の間はゼロであり、交換区域によってその流出点が接続されている他方の流出点から出る一次流体流量の成分に対してＴ／２だけ位相シフトされる。

既に示したように、本発明による伝熱機器１０、２０、３０、４０の一次回路Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉは、一次流体の変位又は駆動に関して互いにＴ／２Ｎの位相シフトを示す。これは特に図２で見ることができ、図２は、図１に概略的に示されるものなど３つの一次回路Ｐ_１０，１、Ｐ_１０，２、Ｐ_１０，３を備える伝熱機器における、６秒に対応する周期Ｔ中の各一次回路Ｐ_１０，１、Ｐ_１０，２、Ｐ_１０，３内での一次流体の流量を示す。図６、図７、及び図８の伝熱機器２０、３０、４０は、同じ流量プロファイルを有する。例示される流量は、流出点Ａ_１０，１、Ａ_１０，２、及びＡ_１０，３での放出成分に対応するものである。したがって、これらの流出点で、各一次回路Ｐ_１０，１、Ｐ_１０，２、Ｐ_１０，３の間の流体位相シフトは、Ｔ／２Ｎ＝６／（２×３）に対応し、１秒である。

図３は、周期Ｔ中の、これらの流出点Ａ_１０，１、Ａ_１０，２、及びＡ_１０，３での正の放出成分を示す。周期Ｔ中、流体が前記流出点Ａ_１０，１、Ａ_１０，２、及びＡ_１０，３から常には出ないことに留意されたい。ここで、流体が出ない期間は、交換区域内で一次流体の運動がない期間に相当し、これは、一次流体と二次流体との間の熱交換に悪影響がある。

また、交換区域内で一次流体の変位がないこの期間は、図５の表でも識別することができる。この表は、周期Ｔ中の、流出点Ａ_１０，１、Ａ_１０，２、Ａ_１０，３、Ｂ_１０，１、Ｂ_１０，２、Ｂ_１０，３から出る正の流量成分、及びそれらの和を示す。値１は、正の流量の存在に対応し、すなわち、一次流体は、対応する流出点から交換区域に向けて出る。値０は、正の流量がないことに対応し、すなわち、一次流体は、逆方向に流れているので、流出点から出ず、交換区域に向けて流れない。したがって、流出点Ａ_１０，１、Ａ_１０，２、及びＡ_１０，３から出る流量プロファイルは、角の丸い長方形によって取り囲まれた値によって識別され、周期の最後の瞬間にはゼロである。これは、交換区域内での熱交換を不安定にし、またこの交換に対する周囲温度の影響を高め、したがって熱損失をもたらす。

本発明は、前記交換区域での一次流体流量ができる限り一定となり、いずれにせよゼロではないように、交換区域の入口及び出口に接続される流出点を選択することによって、そのような悪影響を回避することを可能にする。

したがって、本発明は、周期Ｔ／Ｎ（すなわち、図１及び図２を参照して述べる例では、６／３＝２秒）だけ位相シフトされた流出点を交換区域Ｅ_１０、Ｅ_２０、Ｅ３０、Ｅ４０、Ｅ’４０の入口に接続することを企図する。この目的で、図４は、図１に示される機器の線図に対応する、周期Ｔ中の流出点Ａ_１０，１、Ｂ_１０，２、及びＡ_１０，３での正の放出成分を示す。６秒の周期全体にわたって、前記流出点Ａ_１０，１、Ｂ_１０，２、及びＡ_１０，３の少なくとも１つから出る一次流体が常に存在することに留意されたい。したがって、交換区域Ｅ_１０内で移動する一次流体が常に存在し、これは、交換区域Ｅ_１０内での半永久的な熱交換の実現を可能にする。これは、図５に示される表中で楕円によって取り囲まれた流量値として現れ、これらの流量値は、常に正であって非ゼロであり、１又は２である。当然、これは、本出願で述べるすべての伝熱機器に関して当てはまる。

さらに、交換区域への様々な一次回路の特定の接続に関連して図２に示される一次流体の流量形状又はプロファイルが特に有利である。なぜなら、これは、前記交換区域内での一定の流量の実現を可能にするからであり、これはさらに、前記交換区域内での一次回路と二次回路との間の熱交換を促進する。この流量形状は、以下のようなものである。
ｉ）Ｔ／２Ｎ＝６／（２×３）＝１秒の期間にわたる増加する流量、次いで、
ｉｉ）（Ｎ−２）Ｔ／２Ｎ＝（３−２）×６／（２×３）＝１秒の期間にわたる一定の流量、
ｉｉｉ）次いで、Ｔ／２Ｎ＝６／（２×３）＝１秒の期間にわたる減少する流量、次いで、ｉｖ）Ｔ／２Ｎ＝１秒に対応する期間にわたる線形減少する負の流量、次いで、
ｖ）（Ｎ−２）Ｔ／２Ｎ＝１秒に対応する期間にわたる一定の負の流量、
ｖｉ）及び最後に、Ｔ／２Ｎ＝１秒に対応する期間にわたる線形増加する負の流量。

本発明において、「負の流量」は、考慮される流出点で、この流出点から出る流体が、この流出点が接続された交換区域とは逆方向に流れることを意味するものとする。したがって、一次流体が流出点から交換区域に向けて流れるとき、流量は正である。

上記の構成では、３つの一次回路を用い、増加する流量プロファイルの傾きと減少する流量プロファイルの傾きとに関する絶対値を同じとすると、交換区域に入る一次流体流量の和が一定であり、この合計流量は、３つの一次回路を備える機器における一次回路での最大流量に対応する。図４において、これは、流出点Ａ_１０，１、Ｂ_１０，２、Ａ_１０，３の流量成分の和の曲線として現れ、この曲線は水平であり、すなわち一定である。

この合計流量が、５つの一次回路を備える伝熱機器における最大流量の倍に対応し、７つの一次回路を備える伝熱機器における最大流量の３倍に対応し、常に一定のままであり、したがって、対応する交換区域内で最適な熱交換をもたらす設計であることが、実験から示されている。

当然、一次回路において他の流量プロファイルを実現することもできる。本発明による特定の構成に関連付けられるこれらの他のプロファイルは、交換区域内で常に流体変位を得ることを可能にする。すなわち、交換区域内を流れる一次流体が常に存在し、停止期間又はデッドゾーンがない。これは、伝熱機器の一次流体と外部機器の二次流体との間の良好な熱交換を保証するために重要である。

図１に示される伝熱機器１０は、第１の変形実施形態に対応し、ここで、伝熱機器１０は１つの交換区域Ｅ_１０を備え、交換区域Ｅ_１０内で、二次回路Ｓ_１０の二次流体が一次流体と熱交換を行う。この目的で、交換区域Ｅ_１０内で、一次回路から入る一次流体は、交換区域Ｅ_１０内の単一の管路又はチャネル内に集められる。この構成では、交換区域Ｅ_１０内で一次流体の停滞はない。

好ましくは、一次流体の循環及び二次流体の循環は、それらの間の熱交換を容易にするために逆向きに流れる。図１に示される構成では、熱交換は、各一次回路の半周期Ｔ／２中にのみ行われる。当然、全周期Ｔにわたって熱交換を実現することも可能である。これは、特に図７及び図８の例で示されている。

図６に示される伝熱機器２０は、交換区域Ｅ_２０内での一次回路Ｐ_２０，１、Ｐ_２０，１、Ｐ_２０，３と二次回路Ｓ_２０，１、Ｓ_２０，２、Ｓ_２０，３との間の熱交換の構成の点で、図１の伝熱機器１０とは異なる別の変形実施形態である。実際、この伝熱機器２０において、各一次回路Ｐ_２０，１、Ｐ_２０，２、Ｐ_２０，３の流体は、交換区域Ｅ_２０内の個別の専用の管路に入り、二次回路の対応する部分Ｓ_２０，１、Ｓ_２０，２、Ｓ_２０，３との熱交換を行って、熱交換対を形成する。交換区域Ｅ_２０内で一次回路を個別化したそのような構成は、特に、伝熱流体の循環の方向を制御するのにあまりデバイスを必要としないので、液圧接続を単純化又は軽量化することを可能にする。一次流体の流量は、交換区域内部の各一次回路部分において半周期中にゼロであるが、非ゼロ流量を示す交換区域内の一次回路部分が常に少なくとも１つは存在し、それにより、一次回路と二次回路の対の異なる対間の熱伝導性により、熱利得が保証される。したがって、そのような構成では、異なる熱交換対を互いに断熱しないことが重要である。

図７に示される伝熱機器３０は、全周期Ｔにわたる二次回路との熱交換の実現を可能にする別の実施形態である。この目的で、この伝熱機器３０は、２つの交換区域Ｅ_３０，１及びＥ_３０，２を備える。第１の交換区域Ｅ_３０，１の入口は、第１の流出点グループＡ_３０，１、Ｂ_３０，２、Ａ_３０，３に接続され、第１の交換区域Ｅ_３０，１の出口は、第２の流出点グループＢ_３０，１、Ａ_３０，２、Ｂ_３０，３に接続される。他方、第２の交換区域Ｅ_３０，２の入口は、第２の流出点グループＢ_３０，１、Ａ_３０，２、Ｂ_３０，３に接続され、第２の交換区域Ｅ_３０，２の出口は、第１の流出点グループＡ_３０，１、Ｂ_３０，２、Ａ_３０，３に接続される。このようにして、異なる流出点Ａ_３０，１、Ｂ_３０，２、Ａ_３０，３、Ｂ_３０，１、Ａ_３０，２、Ｂ_３０，３から出るすべての正の一次流体流量成分が、二次流体との熱交換を実現するために使用される。この例で示される伝熱機器３０では、異なる一次回路Ｐ_３０，１、Ｐ_３０，２、Ｐ_３０，３から入る流体が、各交換区域Ｅ_３０，１、Ｅ_３０，２内の共通の管路内に集められる。しかし、本発明は、図６の伝熱機器２０におけるように、各一次回路Ｐ_３０，１、Ｐ_３０，２、Ｐ_３０，３から入る一次流体が交換区域内の個別の管路内で循環する変形形態も除外しない。２つの交換区域Ｅ_３０，１及びＥ_３０，２を有する構成は、一次流体の変位サイクル全体にわたって、一次回路内で対称的な熱交換の実現を可能にする。

交換区域Ｅ_１０、Ｅ_２０、Ｅ_３０，１、Ｅ_３０，２、Ｅ_４０，１、Ｅ_４０，２、Ｅ’_４０，１、Ｅ’_４０，２（これらの区域内で、一次流体と二次流体とが好ましくは互いに対して長手方向に流れる）は、熱交換機によって形成することができ、熱交換機の交換回路が、二次流体が循環する１対の二次回路Ｓ_１０、Ｓ_２０，１、Ｓ_２０，２、Ｓ_２０，３、Ｓ_３０，１、Ｓ_３０，２、Ｓ_４０，１、Ｓ_４０，２、Ｓ’_４０，１、Ｓ’_４０，２、及び一方向一次回路管路又は部分を有する。本発明は、これらの熱交換機の構造的構成を予め限定せず、熱交換機は、プレート交換機、管状交換機、又は任意の他の種類の熱交換機でよい。

本発明は、伝熱機器１０、２０、３０、４０のコア内で熱エネルギーが得られる方法を予め限定しない。しかし、本発明は、いわゆる磁気熱量効果材料の磁気熱量効果を利用することによって伝熱機器のコア内で熱エネルギーが得られる磁気熱量型の伝熱機器に特に適している。この目的で、本発明で述べられる機器において参照符号３によって識別される構成要素が、磁気熱量要素でよい。これらの磁気熱量要素３は、概略的に示されており、一次回路Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉの一次流体がそれらを通って流れる。

各磁気熱量要素３は、１つ又は複数の磁気熱量材料から形成することができ、磁気熱量材料を通って一次流体が流れることができる。この目的で、前記磁気熱量材料は有孔でよく、それらの孔が貫通流路を形成する。磁気熱量材料は、固体ブロックの形態を有することもでき、その固体ブロックにミニチャネル若しくはマイクロチャネルが機械加工、成形、若しくは押出成形される。又は、磁気熱量材料は、重ね合わされた、場合によっては溝付きのプレートのアセンブリから形成することもでき、プレート間を伝熱流体が流れることができる。磁気熱量材料は、粉末又は粒子の形態を有することもでき、したがって間隙が流路を形成する。当然、一次流体が各磁気熱量要素３と熱交換を行うことを可能にする任意の他の実施形態も適切であり得る。したがって、特定の構成は、ブレードの形態での磁気熱量要素を備えることができ、一次流体はブレードを通っては流れないが、ブレードは、例えばこのブレードの上面及び下面で逆向きの２方向で循環する前記一次流体と熱接触し、それにより、一次流体は、このブレードを含む伝熱モジュールの端部を形成する前記ブレードの縁部の１つから常に出る。回転型伝熱機器構成では、伝熱要素は、磁気熱量材料を含むディスクの形状を有することができ、例えば一次流体用の経路チャネルを間に形成するように離隔配置された積層ブレードの形態である。

この種の伝熱機器では、永久磁石などを備える磁気構成が提供され、この磁気構成は、磁気熱量要素３に対して移動されて、磁気熱量要素３を交互に磁場変化にさらし、磁気熱量要素３に加熱段階と冷却段階とを交互に生み出す。また、この磁気構成は、順次に通電される電磁石、又は磁場変化を発生し得る任意の他の同様の手段の形態を有していてもよい。この場合、磁気熱量要素３内での温度勾配をできるだけ高く設定するために、一次回路Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉでの一次流体の循環の方向の逆転が、磁性要素３の磁化及び消磁段階と同期される。この同期は、国際公開第２０１０／０４６５５９号として公開されている本願と同一出願人の特許出願で述べられているものと同一でよい。

当然、磁気熱量型の伝熱機器は、添付図面に示されるものとは異なる数の磁気熱量要素３を備えることもできる。

図８は、本発明による磁気熱量型の伝熱機器４０の好ましい変形形態を示す。この伝熱機器は、３つの一次回路Ｐ_４０，１、Ｐ_４０，２、Ｐ_４０，３を備える。これらの一次回路Ｐ_４０，１、Ｐ_４０，２、Ｐ_４０，３内の一次流体の流量プロファイルは、図２を参照して述べたものと同様である。各一次回路Ｐ_４０，１、Ｐ_４０，２、Ｐ_４０，３は、少なくとも１つの熱交換区域Ｅ_４０，１、Ｅ_４０，２Ｅ’_４０，１、Ｅ’_４０，２によって２×２で接続された４つの流出点を備える。したがって、熱交換は、伝熱機器４０のコアＧ_４０の両側で行われ、すなわち、図８では右側に位置された、交換区域Ｅ’_４０，１及びＥ’_４０，２に対応する高温側Ｃのレベル、及び図８では左側に位置された、交換区域Ｅ_４０，１及びＥ_４０，２に対応する低温側Ｆのレベルで行われる。さらに、図示される構成は、各一次回路Ｐ_４０，１、Ｐ_４０，２、Ｐ_４０，３が２つの交換区域Ｓ_４０，１、Ｓ_４０，２及びＳ’_４０，１、Ｓ’_４０，２に接続されるので、一次流体の変位の全周期Ｔにわたって継続的な交換の実現を可能にする。

したがって、低温側Ｆに位置された熱交換区域Ｅ_４０，１の入口は、流出点Ａ_４０，１、Ｂ_４０，２、Ａ_４０，３の第１のセットに接続され、それらの流出点に関して、一次流体の流量成分は、Ｔ／Ｎだけ、すなわちこの例に関しては６／３、すなわち２秒だけ相互に位相シフトされる。この熱交換区域Ｅ_４０，１の出口は、流出点Ｂ_４０，１、Ａ_４０，２、Ｂ_４０，３の第２のセットに接続され、それらの流出点に関して、一次流体の流量成分は、ここでも２秒だけ相互に位相シフトされ、かつ第１の流出点セットに関して半周期Ｔ／２だけ位相シフトされる。低温側Ｆに位置された第２の交換区域Ｅ_４０，２は、交換区域Ｅ_４０，１と同じ流出点Ａ_４０，１、Ｂ_４０，２、Ａ_４０，３、Ｂ_４０，１、Ａ_４０，２、Ｂ_４０，３に接続されるが、逆向きである。したがって、交換区域Ｅ_４０，２の入口は、流出点Ｂ_４０，１、Ａ_４０，２、Ｂ_４０，３を含む第２のセットに接続され、交換区域Ｅ_４０，２の出口は、流出点Ａ_４０，１、Ｂ_４０，２、Ａ_４０，３を含む第１のセットに接続される。同じことが、高温側Ｃに位置された２つの熱交換区域Ｅ’_４０，１及びＥ’_４０，２にも当てはまり、それぞれ流出点Ａ’_４０，１、Ｂ’_４０，２、Ａ’_４０，３の第１のセット、及び流出点Ｂ’_４０，１、Ｂ’_４０，２、Ｂ’_４０，３の第２のセットに接続される。

図９は、図１に関連して述べた磁気熱量型の伝熱機器１０の斜視図である。磁気熱量型の伝熱機器１０は、３つの磁気回転子Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３を有する磁気構成を備え、磁気回転子Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３は、伝熱機器１０の長手方向軸の周りでのそれらの回転により、磁気熱量３を磁場変化にさらす。磁気回転子Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３はそれぞれ、永久磁石が取り付けられるフレームを備える。磁気熱量要素３は、２つの固定サポートＳ_ＵＰ１、Ｓ_ＵＰ２に取り付けられる。一次流体は、制御カムＣ_１０によって作動されるピストンＰによって形成されたアクチュエータによって変位され、制御カムＣ_１０のカムプロファイルは、回転子Ｒ_２で実現される。

図９に示される機器は、回転子Ｒ_２に対して対称であり、その低温側Ｆに熱交換機を備え、この熱交換機は、二次回路Ｓ_１０の二次流体が一次流体と熱交換を行う交換区域Ｅ_１０を具現化する。伝熱機器１０の高温側Ｃは、図９では右側に位置され、やはり交換区域Ｅ_１１を備える。

本発明が、上記の目標を達成することが可能であり、すなわち、交番する両方向運動に従って変位される一次流体を有する機器に接続された熱交換機内での熱交換を改良し得る伝熱デバイス１０、２０、３０、４０を提供することは、本明細書における説明から明らかである。

本発明による伝熱装置１０、２０、３０、４０は、加熱、空気調和、温度調整、冷却などの分野で、競争力のあるコストで、及びより省スペースの要件で、工業用にも家庭用にも利用することができる。

本発明は、図示される実施形態の例に限定されず、添付の特許請求の範囲で定義される保護の範囲内にある当業者に明らかな任意の修正及び変形も包含する。

Claims (11)

1. 奇数のＮ個の閉じた一次回路（Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉ、Ｎ≧３、ｉ∈［１，Ｎ］）を備える伝熱機器（１０、２０、３０、４０）であって、
   前記一次回路がそれぞれ、二次流体が循環する少なくとも１つの熱交換区域（Ｅ_１０、Ｅ_２０、Ｅ_３０，１、Ｅ_３０，２、Ｅ_４０，１、Ｅ_４０，２、Ｅ’_４０，１、Ｅ’_４０，２）に直列に接続された少なくとも２つの流出点（Ａ_１０，ｉ、Ａ_２０，ｉ、Ａ_３０，ｉ、Ａ_４０，ｉ、Ｂ_１０，ｉ、Ｂ_２０，ｉ、Ｂ_３０，ｉ、Ｂ_４０，ｉ）を備え、
   伝熱機器がさらに操作デバイスを備え、前記操作デバイスが、一次流体と呼ばれる伝熱流体を、前記一次回路（Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉ）内で、半周期Ｔ／２の２つの変位段階を含む周期Ｔの交番サイクルで変位させ、前記段階が、同一の流量及び体積プロファイルを逆向きに生成する２つの一次流体変位に対応し、前記操作デバイスが、前記各一次回路（Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉ）どうしの間で一次流体のサイクルの開始がＴ／２Ｎだけ位相シフトされるように構成され、
   前記交換区域の入口が、前記一次回路の流出点の第１のグループを備える第１のセットに一方向で接続され、前記交換区域の一次流体流量放出成分が、互いに対してＴ／Ｎだけ位相シフトされ、前記交換区域の出口が、前記一次回路の流出点の第２のグループを備える第２のセットに一方向で接続され、前記交換区域の一次流体流量放出成分が、やはり互いに対してＴ／Ｎだけ位相シフトされ、かつ前記第１のセットの流出点から出る一次流体流量成分に対してＴ／２だけ位相シフトされ、それにより、前記交換区域に入る前記第１のセットの前記伝熱流体流量の和が、常にゼロよりも大きいことを特徴とする伝熱機器（１０、２０、３０、４０）。
2. 交換区域を備え、前記交換区域の出口が、前記第１のセットの前記流出点に一方向で接続され、前記流出点の入口が、前記第２のセットの前記流出点に一方向で接続されることを特徴とする請求項１に記載の伝熱機器。
3. 前記一次回路が、前記交換区域内の共通の管路内に合流することを特徴とする請求項１又は２に記載の伝熱機器。
4. 前記一次回路が、前記交換区域内の個別の管路に接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の伝熱機器。
5. 前記交換区域が、前記一次流体と前記二次流体とが互いに逆向きに流れるように構成されることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の伝熱機器。
6. 前記一次流体が、前記一次回路（Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉ）内で、順に、
   ｉ）Ｔ／２Ｎに対応する期間にわたる、線形増加する正の流量、
   ｉｉ）次いで、（Ｎ−２）Ｔ／２Ｎに対応する期間にわたる一定の正の流量、
   ｉｉｉ）次いで、Ｔ／２Ｎに対応する期間にわたる、線形減少する正の流量、
   ｉｖ）次いで、Ｔ／２Ｎに対応する期間にわたる線形減少する負の流量、
   ｖ）次いで、（Ｎ−２）Ｔ／２Ｎに対応する期間にわたる一定の負の流量、
   ｖｉ）次いで、Ｔ／２Ｎに対応する期間にわたる線形増加する負の流量
   に従って変位されることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の伝熱機器。
7. 前記一次回路（Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉ）がそれぞれ、少なくとも２つの交換区域（Ｅ_４０，１、Ｅ_４０，２、Ｅ’_４０，１、Ｅ’_４０，２）によって２×２で接続された４つの流出点（Ａ_１０，ｉ、Ａ_２０，ｉ、Ａ_３０，ｉ、Ａ_４０，ｉ、Ｂ_１０，ｉ、Ｂ_２０，ｉ、Ｂ_３０，ｉ、Ｂ_４０，ｉ）を備えることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の伝熱機器。
8. 前記一次回路内の前記一次流体の前記操作デバイスが、ピストンを移動させる少なくとも１つの制御カム（Ｃ_１０）を備え、前記制御カムが、各一次回路内で周期Ｔの周期的往復運動に従って前記一次流体の変位を決定するように構成されたプロファイルを備えることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の伝熱機器。
9. 各一次回路が、少なくとも１つの磁気熱量要素（３）を備え、前記磁気容量要素（３）を通って前記一次流体が流れ、前記機器が、磁気構成（Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３）を備え、前記磁気構成（Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３）が、前記磁気熱量要素（３）を交互に磁場変化にさらして、前記磁気熱量要素（３）で加熱段階及び冷却段階を交互に生み出すように構成されることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の伝熱機器。
10. 奇数のＮ個の閉じた一次回路（Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉ、Ｎ≧３、ｉ∈［１，Ｎ］）を備える伝熱機器（１０、２０、３０、４０）の熱交換を最適化するための方法であって、
    前記一次回路がそれぞれ、二次流体が循環する少なくとも１つの熱交換区域（Ｅ_１０、Ｅ_２０、Ｅ_３０，１、Ｅ_３０，２、Ｅ_４０，１、Ｅ_４０，２、Ｅ’_４０，１、Ｅ’_４０，２）に直列に接続された少なくとも２つの流出点（Ａ_１０，ｉ、Ａ_２０，ｉ、Ａ_３０，ｉ、Ａ_４０，ｉ、Ｂ_１０，ｉ、Ｂ_２０，ｉ、Ｂ_３０，ｉ、Ｂ_４０，ｉ）を備え、
    方法が、一次流体と呼ばれる伝熱流体を、前記一次回路（Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉ）内で、半周期Ｔ／２の２つの変位段階を含む周期Ｔの交番サイクルで変位させるステップであって、前記段階が、同一の流量及び体積プロファイルを逆向きに生成する２つの一次流体変位に対応するステップを含み、
    方法がさらに、前記各一次回路（Ｐ_１０，ｉ、Ｐ_２０，ｉ、Ｐ_３０，ｉ、Ｐ_４０，ｉ）どうしの間で前記一次流体のサイクルの開始をＴ／２Ｎだけ位相シフトさせるステップ、前記交換区域の入口を、前記一次回路の流出点の第１のグループを備える第１のセットに一方向で接続するステップであって、前記交換区域の一次流体流量放出成分が、互いに対してＴ／Ｎだけ位相シフトされるステップ、及び、前記交換区域の出口を、前記一次回路の流出点の第２のグループを備える第２のセットに一方向で接続するステップであって、前記交換区域の一次流体流量放出成分が、やはり互いに対してＴ／Ｎだけ位相シフトされ、かつ前記第１のセットの前記流出点から出る前記一次流体流量成分に対してＴ／２だけ位相シフトされ、それにより、前記交換区域に入る前記第１のセットの前記伝熱流体流量の和が、常にゼロよりも大きいステップを含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の伝熱機器（１０、２０、３０、４０）の熱交換を最適化するものであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。